KR102496474B1 - 이차 전지 구조/시스템과 그 제조방법 및 동작방법 - Google Patents

이차 전지 구조/시스템과 그 제조방법 및 동작방법 Download PDF

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Abstract

이차 전지 구조/시스템과 그 제조방법 및 동작방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 이차 전지 구조는 서로 이격된 복수의 제1 전극요소가 어레이된 구조를 갖는 제1 전극구조체 및 상기 제1 전극구조체와 이격된 적어도 하나의 제2 전극요소를 구비하는 제2 전극구조체를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 하나는 양극이고 다른 하나는 음극일 수 있다. 상기 제1 전극요소와 제2 전극요소의 개수는 서로 다를 수 있다. 상기 복수의 제1 전극요소는 상기 제2 전극요소에 전기화학적으로 병렬로 연결될 수 있다. 다른 측면에 따르면, 상기 이차 전지 구조는 양극과 음극 중 적어도 하나에 마이크로전극 어레이(microelectrode array) 구조를 포함할 수 있다.

Description

이차 전지 구조/시스템과 그 제조방법 및 동작방법{Secondary battery structure/system and methods of manufacturing and operating the same}
개시된 실시예들은 전지 구조/시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지 구조/시스템과 그 제조방법 및 동작방법에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등 다양한 전자 기기에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서, 그 수요가 증가하고 있는 추세이다. 리튬 이차 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류될 수 있다. 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라 한다.
이차 전지가 적용되는 전자 기기의 종류가 다양해지고 관련 시장이 성장함에 따라, 이차 전지의 안정성 및 내구성 향상, 용량 증대, 유연성 확보 등 성능 향상에 대한 요구도 증가하고 있다. 또한, 초소형 정밀 기계 부품이나 MEMS(microelectromechanical system)와 같은 미세 소자, 스마트 카드나 메모리 소자 등의 전력원으로 사용 가능한 소형/초소형 이차 전지에 대한 요구도 증가하고 있다. 아울러, 이차 전지의 연구 및 개발에 있어서, 연구/개발의 효율성을 개선할 수 있는 방법에 대한 필요성도 제기되고 있다.
소형/박막형 이차 전지 구조를 제공한다.
우수한 성능을 갖는 이차 전지 구조를 제공한다.
우수한 안정성 및 내구성을 갖는 이차 전지 구조를 제공한다.
이차 전지용 물질들에 대한 분석 및 평가를 효율적으로 수행할 수 있는 기술/구조/방법을 제공한다.
상기 이차 전지 구조의 제조방법을 제공한다.
상기 이차 전지 구조의 동작방법을 제공한다.
상기 이차 전지 구조를 이용한 다양한 분석/평가방법을 제공한다.
상기 이차 전지 구조를 포함하는 전지 시스템 및 그 동작방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 서로 이격된 복수의 제1 전극요소가 어레이된 구조를 갖는 제1 전극구조체; 상기 제1 전극구조체와 이격된 적어도 하나의 제2 전극요소를 구비하는 제2 전극구조체; 및 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 사이의 이온 이동을 위해 구비된 전해질;을 포함하고, 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 하나는 양극(cathode)이고 다른 하나는 음극(anode)이며, 상기 제1 전극요소와 제2 전극요소의 개수는 서로 다른 이차 전지 구조가 제공된다.
상기 제1 전극구조체는 양극일 수 있고, 상기 제2 전극구조체는 음극일 수 있다.
상기 제2 전극구조체는 음극일 수 있고, 상기 제2 전극구조체는 양극일 수 있다.
상기 복수의 제1 전극요소는 상기 전해질을 통해서 상기 제2 전극요소에 전기화학적으로 병렬로 연결될 수 있다.
상기 복수의 제1 전극요소는 복수의 마이크로전극으로 구성된 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극요소는 상기 복수의 마이크로전극 상에 구비된 복수의 활물질요소(active material element)를 더 포함할 수 있다.
상기 활물질요소는 파티클(particle) 구조를 가질 수 있다.
상기 각 마이크로전극에 대응하는 상기 각 활물질요소는 단일 파티클(single particle)일 수 있다.
상기 복수의 활물질요소는 적어도 두 종류의 서로 다른 물질로 형성된 활물질요소들을 포함할 수 있다.
상기 복수의 활물질요소는 적어도 두 종류의 서로 다른 사이즈를 갖는 활물질요소들을 포함할 수 있다.
상기 복수의 활물질요소 중 적어도 하나는 복수의 단위구조를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 활물질요소 중 적어도 두 개는 서로 다른 개수의 단위구조를 포함할 수 있다.
상기 활물질요소를 그에 대응하는 상기 마이크로전극에 접합하는 용접부(welding portion)가 더 구비될 수 있다.
상기 활물질요소와 그에 대응하는 상기 마이크로전극 사이에 이들을 접합하기 위한 도전성 접착층(conductive adhesive layer)이 더 구비될 수 있다.
상기 활물질요소에 압력을 인가하는 가압부재(pressing member)가 더 구비될 수 있다.
상기 복수의 마이크로전극은 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 활물질요소는 리튬(Li) 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극구조체는 하나의 상기 제2 전극요소를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극구조체는 복수 개의 상기 제2 전극요소를 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 제2 전극요소의 개수는 상기 제1 전극요소의 개수보다 적을 수 있다.
상기 제2 전극요소는 제2 전극부 및 상기 제2 전극부에 접촉된 제2 활물질요소를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극요소와 상기 적어도 하나의 제2 전극요소는 수평 방향으로 이격하여 배치될 수 있다.
기판 상에 상기 복수의 제1 전극요소 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소가 구비될 수 있고, 상기 기판 상에 상기 복수의 제1 전극요소의 일부 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소의 일부를 노출시키는 절연층이 구비될 수 있으며, 상기 절연층 상에 상기 복수의 제1 전극요소의 노출부 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소의 노출부에 접촉하도록 상기 전해질이 구비될 수 있다.
기판 상에 상기 복수의 제1 전극요소가 구비될 수 있고, 상기 기판 상에 상기 복수의 제1 전극요소의 일부를 노출시키는 절연층이 구비될 수 있으며, 상기 절연층 상에 상기 적어도 하나의 제2 전극요소가 구비될 수 있고, 상기 절연층 상에 상기 복수의 제1 전극요소의 노출부 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소에 접촉하도록 상기 전해질이 구비될 수 있다.
상기 복수의 제1 전극요소와 상기 적어도 하나의 제2 전극요소는 수직 방향으로 이격하여 배치될 수 있다.
상기 제1 전극구조체는 상기 복수의 제1 전극요소에 연결된 복수의 제1 콘택패드를 더 포함하거나, 및/또는, 상기 제2 전극구조체는 상기 제2 전극요소에 연결된 제2 콘택패드를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기판에 상기 복수의 제1 전극요소 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소가 구비될 수 있고, 상기 제1 기판과 대향하는 제2 기판이 더 구비될 수 있으며, 상기 제2 기판은 상기 복수의 제1 전극요소 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소를 가압하는 복수의 핀 구조체(pin structure)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극요소에 대향하도록 상기 적어도 하나의 제2 전극요소가 배치될 수 있고, 상기 복수의 제1 전극요소와 상기 적어도 하나의 제2 전극요소 사이에 분리막이 더 구비될 수 있으며, 상기 분리막의 일측에 상기 복수의 제1 전극요소를 가압하는 복수의 핀 구조체(pin structure)를 포함하는 기판이 더 구비될 수 있다.
상기 복수의 제1 전극요소 중 어느 하나의 활물질영역은 상기 제2 전극요소의 활물질영역보다 작은 사이즈를 가질 수 있다.
상기 이차 전지 구조는 단일 셀 구조(single cell structure)일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 전극구조체; 상기 제1 전극구조체와 이격된 제2 전극구조체; 및 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 사이의 이온 이동을 위해 구비된 전해질;을 포함하고, 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 하나는 양극(cathode)이고 다른 하나는 음극(anode)이며, 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 적어도 하나는 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA)를 포함하는 이차 전지 구조가 제공된다.
상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 적어도 하나는 상기 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA) 상에 구비된 복수의 활물질요소(active material element)를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 활물질요소 중 적어도 일부는 파티클(particle) 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 전극구조체를 구성하는 단위전극의 개수와 상기 제2 전극구조체를 구성하는 단위전극의 개수는 서로 다를 수 있다.
상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체는 동일한 기판 상에 상기 기판과 평행한 방향으로 이격하여 구비될 수 있다.
상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체는 상기 마이크로전극 어레이(MEA)가 배열된 평면에 수직한 방향으로 이격하여 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 구비된 적어도 하나의 제1 전극; 상기 기판 상에 상기 제1 전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 절연층; 상기 제1 전극의 노출부 상에 구비된 제1 활물질요소; 상기 기판 상에 상기 제1 활물질요소와 수평 방향으로 이격하여 구비된 것으로, 상기 제1 활물질요소와 다른 물질로 형성된 제2 활물질요소; 및 상기 절연층 상에 구비된 것으로, 상기 제1 활물질요소 및 제2 활물질요소에 접촉된 전해질;을 포함하는 이차 전지 구조가 제공된다.
상기 기판 상에 상기 제1 전극과 수평 방향으로 이격된 적어도 하나의 제2 전극이 구비될 수 있고, 상기 절연층은 상기 제2 전극의 일부를 노출시키는 개구부를 가질 수 있고, 상기 제2 전극의 노출부에 상기 제2 활물질요소가 구비될 수 있다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 활물질요소는 상기 절연층의 표면 상에 구비될 수 있다.
상기 제1 활물질요소는 파티클(particle) 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 활물질요소를 상기 제1 전극에 접합하는 용접부(welding portion)가 더 구비될 수 있다.
상기 제1 활물질요소와 상기 제1 전극 사이에 이들을 접합하기 위한 도전성 접착층(conductive adhesive layer)이 더 구비될 수 있다.
상기 제2 활물질요소는 박막 구조를 가질 수 있다.
상기 절연층 상에 가이드 패턴(guide pattern)이 더 구비될 수 있고, 상기 가이드 패턴 내에 상기 전해질이 구비될 수 있다.
상기 전해질 상에 커버층(cover layer)이 더 구비될 수 있고, 상기 제1 활물질요소에 대응하는 상기 커버층 부분이 상기 기판 쪽으로 오목한 구조를 가질 수 있다.
복수 개의 상기 제1 전극이 마이크로전극 어레이(microelectrode array : MEA)를 구성할 수 있다.
상기 제1 활물질요소 및/또는 상기 제2 활물질요소에 전기적으로 접촉하면서 압력을 인가하는 적어도 하나의 핀 구조체(pin structure)가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 서로 이격된 복수의 제1 전극요소가 어레이된 구조를 포함하는 제1 전극구조체를 형성하는 단계; 상기 제1 전극구조체와 이격된 적어도 하나의 제2 전극요소를 포함하는 제2 전극구조체를 형성하는 단계; 및 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 사이에 전해질을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 하나는 양극(cathode)이고 다른 하나는 음극(anode)이며, 상기 제1 전극요소와 제2 전극요소의 개수는 서로 다른 이차 전지 구조의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 전극구조체를 형성하는 단계; 상기 제1 전극구조체와 이격된 제2 전극구조체를 형성하는 단계; 및 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 사이의 이온 이동을 위한 전해질을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 하나는 양극(cathode)이고 다른 하나는 음극(anode)이며, 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 적어도 하나는 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA)를 포함하도록 형성하는 이차 전지 구조의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 단일 전지 구조(single battery structure)에 있어서, 서로 이격된 복수의 제1 전극요소; 상기 복수의 제1 전극요소와 이격된 적어도 하나의 제2 전극요소; 상기 복수의 제1 전극요소에 연결된 복수의 제1 전극단자; 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소에 연결된 적어도 하나의 제2 전극단자;를 포함하고, 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자 중 하나는 양극단자(cathode terminal)이고 다른 하나는 음극단자(anode terminal)인 단일 전지 구조가 제공된다.
상기 제2 전극요소는 하나 또는 복수 개가 구비될 수 있다.
상기 제2 전극요소의 개수와 상기 제1 전극요소의 개수는 서로 다를 수 있다.
상기 복수의 제1 전극요소는 전해질을 통해서 상기 제2 전극요소에 전기화학적으로 병렬로 연결될 수 있다.
상기 단일 전지 구조는 이차 전지 구조일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 단일 전지 구조; 및 상기 단일 전지 구조에 연결된 배터리 관리 시스템(battery management system)(BMS);을 포함하는 전지 시스템이 제공된다.
상기 배터리 관리 시스템(BMS)은 상기 복수의 제1 전극단자에 연결된 제1 스위칭 회로부; 상기 적어도 하나의 제2 전극단자에 연결된 제2 스위칭 회로부; 및 상기 제1 및 제2 스위칭 회로부에 연결된 배터리 관리 컨트롤러(battery management controller);를 포함할 수 있다.
우수한 성능을 갖는 소형/박막형 이차 전지 구조를 구현할 수 있다.
우수한 안정성 및 내구성을 갖는 이차 전지 구조를 구현할 수 있다.
이차 전지용 물질들에 대한 분석 및 평가를 효율적으로 수행할 수 있는 기술을 구현할 수 있다. 이러한 기술을 이용해서, 이차 전지의 연구 및 개발의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
전극 어레이를 갖는 단일 전지(이차 전지) 및 이를 포함하는 전지 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 이차 전지 구조를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1의 일부 영역의 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 것으로, 단일 파티클 구조의 활물질요소를 전극 상에 형성한 경우를 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 이차 전지 구조를 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소 및 그에 대응하는 기판의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 도 10의 변형예를 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 16 및 도 17은 각각 도 15의 제1 기판구조체 및 제2 기판구조체의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 19는 도 18의 기판구조체가 가질 수 있는 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 20은 도 18의 기판구조체가 가질 수 있는 전체적인 구조를 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 21은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 보여주는 평면도이다.
도 22는 도 21의 A-A'선에 따른 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 23은 도 22의 이차 전지 구조에 대한 분석/평가를 수행하는 방법을 보여주는 개념도이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조에 포함된 네 개의 단일 파티클에 대한 SEM 사진이다.
도 25는 도 24의 네 개의 단일 파티클에 대한 Raman 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 26은 도 24의 네 개의 단일 파티클에 대한 충방전 특성 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조에 포함된 단일 파티클의 충방전 전/후의 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 28은 도 27의 충방전 전/후의 단일 파티클에 대한 Auger 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 29 및 도 30은 본 발명의 실시예에 따른 분석/평가 방법을 통해 얻어진 결과 데이터를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 31은 비교예에 따른 이차 전지 및 이에 대한 분석 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 복수의 전극에 대한 선택적 온/오프(ON/OFF) 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 33은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조의 복수의 전극에 대한 선택적 온/오프(ON/OFF) 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 34a 내지 도 34e는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 구조의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 충방전 특성(potential-capacity 특성)을 보여주는 그래프이다.
도 36은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 충방전 특성(potential-time 특성)을 보여주는 그래프이다.
도 37은 비교예에 따른 이차 전지의 충방전 특성을 보여주는 그래프이다.
도 38은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 구조를 보여주는 평면도이다.
도 39는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 구조를 보여주는 사시도이다.
도 40은 본 발명의 실시예에 따른 전지 구조에 적용될 수 있는 제1 단자부 어셈블리(terminal assembly)를 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 41은 본 발명의 실시예에 따른 전지 구조에 적용될 수 있는 제2 단자부 어셈블리(terminal assembly)를 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 42는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 구조를 보여주는 사시도이다.
도 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템(battery system)을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 이차 전지 구조/시스템과 그 제조방법 및 동작방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 이차 전지 구조를 보여주는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지 구조는 기판(SUB10) 상에 서로 이격된 복수의 제1 전극요소(EE10)가 어레이된 구조를 구비할 수 있다. 상기 이차 전지 구조는 복수의 제1 전극요소(EE10)와 이격된 적어도 하나의 제2 전극요소(EE20)를 더 구비할 수 있다. 여기서는, 하나의 제2 전극요소(EE20)가 구비된 경우가 도시되어 있다. 하나의 제2 전극요소(EE20)에 대응하는 복수의 제1 전극요소(EE10)가 구비되었다고 할 수 있다. 복수의 제1 전극요소(EE10)는 '제1 전극구조체'를 구성한다고 할 수 있고, 제2 전극요소(EE20)는 '제2 전극구조체'에 대응된다고 할 수 있다. 상기 제1 전극구조체, 즉, 복수의 제1 전극요소(EE10)는 양극(cathode)이고, 상기 제2 전극구조체, 즉, 제2 전극요소(EE20)는 음극(anode)이거나, 그 반대일 수 있다.
복수의 제1 전극요소(EE10)와 제2 전극요소(EE20) 사이의 이온 이동을 위한 전해질(electrolyte)(도 2의 ET10)이 구비될 수 있다. 복수의 제1 전극요소(EE10)는 상기 전해질(도 2의 ET10)을 통해서 제2 전극요소(EE20)에 전기화학적으로(electrochemically) 병렬로 연결될 수 있다. 이때, 복수의 제1 전극요소(EE10)는 서로 연결되는 부분 없이 이격하여 존재하기 때문에, 이들에 대한 독립적인 제어가 가능할 수 있다.
복수의 제1 전극요소(EE10)는 복수의 마이크로전극(microelectrode)으로 구성된 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 각각의 제1 전극요소(EE10)는 마이크로전극을 포함할 수 있고, 복수의 마이크로전극이 어레이를 이룰 수 있다. 여기서, '마이크로전극'이라는 용어는 마이크로스케일(microscale)뿐 아니라 나노스케일(nanoscale)의 전극까지 포함하는 넓은 의미의 용어일 수 있다. 즉, 본 명세서에서 '마이크로전극'이라는 용어는 마이크로스케일 전극뿐 아니라 나노스케일 전극까지 포괄하는 '미세전극'을 의미할 수 있다. 복수의 마이크로전극이 이차원적으로(평면적으로) 배열되어 상기 마이크로전극 어레이(MEA)를 형성할 수 있다.
복수의 제1 전극요소(EE10) 각각은 제1 전극부(EP10)를 포함할 수 있다. 제1 전극부(EP10) 각각에는 제1 활물질요소(active material element)(AE10)가 구비될 수 있다. 제1 전극요소(EE10) 각각은 제1 전극부(EP10)에서 연장되는 제1 배선부(WP10)를 포함할 수 있고, 제1 배선부(WP10)의 단부에는 제1 콘택패드(CP10)가 더 구비될 수 있다. 제1 배선부(WP10)는 제1 활물질요소(AE10)와 그에 대응하는 제1 콘택패드(CP10)를 전기적으로 연결한다고 할 수 있다. 제1 활물질요소(AE10)가 형성되는 제1 전극부(EP10)는 제1 배선부(WP10)보다 큰 사이즈(폭)을 가질 수 있지만, 제1 배선부(WP10)와 동일하거나 유사한 사이즈(폭)을 가질 수도 있다. 제1 전극요소(EE10)와 유사하게, 제2 전극요소(EE20)는 제2 전극부(EP20)를 포함할 수 있고, 제2 전극부(EP20) 상에 제2 활물질요소(AE20)가 구비될 수 있다. 제2 전극부(EP20)에서 연장되는 제2 배선부(WP20)가 구비될 수 있 수 있고, 제2 배선부(WP20)의 단부에는 제2 콘택패드(CP20)가 더 구비될 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(AE10)는 제2 활물질요소(AE20) 주위에 배치될 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(AE10) 중 어느 하나의 사이즈는 제2 활물질요소(AE20)의 사이즈보다 작을 수 있다. 복수의 제1 콘택패드(CP10) 및 제2 콘택패드(CP20)는 외부 충방전 단자(미도시)와 연결될 수 있다.
도 1에 도시된 복수의 제1 전극요소(EE10) 및 제2 전극요소(EE20)의 배열 형태, 개수, 위치 관계, 각 부위의 사이즈 및 모양 등은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 2는 도 1의 일부 영역의 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(SUB10) 상에 복수의 제1 전극요소(EE10)가 구비될 수 있고, 적어도 하나의 제2 전극요소(EE20)가 더 구비될 수 있다. 복수의 제1 전극요소(EE10) 각각은 제1 전극부(EP10) 및 이에 접촉된 제1 활물질요소(AE10)를 포함할 수 있다. 제2 전극요소(EE20)는 제2 전극부(EP20) 및 이에 접촉된 제2 활물질요소(AE20)를 포함할 수 있다. 기판(SUB10) 상에 복수의 제1 전극부(EP10) 및 적어도 하나의 제2 전극부(EP20)가 수평 방향으로 상호 이격하여 배치될 수 있고, 기판(SUB10) 상에 이들(EP10, EP20)을 덮는 절연층(NL10)이 구비될 수 있다. 절연층(NL10)은, 예컨대, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiNx), 알루미늄 산화물(Al2O3), 절연성 고분자 물질 등으로 구성된 다양한 절연 물질 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 절연층(NL10)은 패시베이션층(passivation layer) 또는 보호층(protective layer)이라 할 수 있다. 절연층(NL10)은 복수의 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)를 노출시키는 개구부들(H10, H20)을 포함할 수 있다. 제1 전극부(EP10)의 일부를 노출시키는 개구부(H10)를 '제1 개구부'라 하고, 제2 전극부(EP20)의 일부를 노출시키는 개구부(H20)를 '제2 개구부'라 한다. 제1 및 제2 개구부(H10, H20)의 직경은 수 ㎛ 내지 수백 ㎛, 예컨대, 약 10㎛ 내지 100㎛ 정도일 수 있다. 제1 개구부(H10) 내에 제1 활물질요소(AE10)가 구비될 수 있고, 제2 개구부(H20) 내에 제2 활물질요소(AE20)가 구비될 수 있다. 절연층(NL10) 상에 제1 및 제2 활물질요소(AE10, AE20)와 콘택된 전해질(ET10)이 구비될 수 있다. 전해질(ET10)은 소정의 가이드 패턴(guide pattern)(GP10) 내에 구비될 수 있다. 기판(SUB10) 가장자리부의 절연층(NL10) 상에 가이드 패턴(GP10)이 형성될 수 있고, 가이드 패턴(GP10) 내에 전해질(ET10)이 구비될 수 있다. 가이드 패턴(GP10)의 사용은 선택적(optional)이고, 경우에 따라, 사용하지 않을 수도 있다.
본 실시예에서는 절연층(NL10)이 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)를 덮으면서 이들 사이의 전기화학적 연결을 방지 또는 최소화할 수 있다. 절연층(NL10)이 존재하기 때문에, 전해질(ET10)이 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)와 접촉하지 않거나 거의 접촉하지 않을 수 있다. 따라서, 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)는 전해질(ET10)을 통한 전기화학적 반응에 거의 기여하지 않을 수 있다. 이는 이차 전지의 충방전시, 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)와 같은 금속의 영향이 최소화된다는 것을 의미할 수 있다. 상기 충방전을 위한 전기화학적 반응, 즉, 이온 교환 반응은 활물질요소들(AE10, AE20)과 전해질(ET10) 사이에서 주로 이루어질 수 있다. 이와 관련해서, 이차 전지의 충방전 특성이 향상될 수 있다.
제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)는 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 탄소(C) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 여기서, 탄소(C)를 포함하는 물질은 그래핀(graphene)이나 그라파이트(graphite) 등일 수 있다. 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)는 단층 구조를 갖거나 이층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다. 구체적인 예로, 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)는 Ti층 및 그 위에 Pt층을 갖는 이중층 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 Ti층은 기판(SUB10)과의 접착력 향상을 위해 사용하는 금속이고, 상기 Pt층은 제1 및 제2 활물질요소(AE10, AE20)와 접촉하는 금속일 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 이중층 구조(즉, Ti/Pt 구조)는 예시적인 것이고, 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)의 구체적인 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)를 동일한 물질로 형성하더라도 제1 활물질요소(AE10)와 제2 활물질요소(AE20)의 물질에 따라, 제1 전극부(EP10)와 제2 전극부(EP20) 중 하나는 양극부로 사용될 수 있고, 다른 하나는 음극부로 사용될 수 있다. 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)는 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다. 제1 전극부(EP10)가 양극부이고 제2 전극부(EP20)가 음극부인 경우, 양극 집전체(cathode current collector)에 적합한 물질을 제1 전극부(EP10)에 적용하고, 음극 집전체(anode current collector)에 적합한 물질을 제2 전극부(EP20)에 적용할 수 있다. 제1 전극부(EP10) 및 제2 전극부(EP20)의 두께는 약 10∼1000 nm 정도일 수 있다.
제1 활물질요소(AE10)는, 예컨대, 파티클(particle) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 각각의 제1 활물질요소(AE10)는 단일 파티클(single particle)일 수 있다. 상기 파티클의 지름은 1㎛ 내지 100㎛ 정도, 예컨대, 5㎛ 내지 30㎛ 정도일 수 있다. 그러나, 경우에 따라, 상기 파티클의 지름은 1㎛ 보다 작을 수도 있다. 본 실시예에 따른 이차 전지 구조가 리튬 이차 전지이고 제1 활물질요소(AE10)가 양극 활물질인 경우, 제1 활물질요소(AE10)는, 예컨대, 리튬(Li) 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 Li 금속 산화물은, 예를 들어, Li2MnO3, Li2CoO3, LiCoO2, LiFePO4, OLO(over-lithiated oxide) 등일 수 있다. 이차 전지에서 양극 활물질로 사용될 수 있는 물질이면 어느 것이든 제1 활물질요소(AE10)로 적용될 수 있다. 제1 활물질요소(AE10)는 제1 전극부(EP10)의 표면에 접촉될 수 있다. 다시 말해, 제1 활물질요소(AE10)와 제1 전극부(EP10) 사이에 바인더(binder) 등의 다른 물질이 개재됨이 없이, 제1 활물질요소(AE10)는 제1 전극부(EP10)에 직접 접촉될 수 있다. 따라서, 제1 활물질요소(AE10)와 제1 전극부(EP10) 사이의 전자 이동 특성은 우수할 수 있고, 결과적으로, 이차 전지 구조의 충방전 특성이 향상될 수 있다. 만약, 활물질층과 전극 사이에 바인더 등을 포함하는 접착 물질이 존재하는 경우, 또는, 활물질 파우더를 바인더 등과 혼합한 페이스트(paste)를 이용해서 활물질층(다량의 활물질 입자와 바인더를 포함하는 층)을 형성하는 경우, 바인더에 의해 활물질층과 전극 사이 및 활물질 입자들 사이의 전자/이온의 이동이 저해되기 때문에, 충방전 속도가 느려지는 등 특성이 저하될 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는 제1 활물질요소(AE10)가 단일 파티클(single particle)일 수 있고, 제1 활물질요소(AE10)는 제1 전극부(EP10)에 직접 접촉될 수 있으므로, 이와 관련해서, 우수한 충방전 특성을 갖는 이차 전지 구조를 구현할 수 있다.
제1 활물질요소(AE10)가 파티클 구조 또는 이와 유사한 구조를 갖는 경우, 제1 활물질요소(AE10)를 제1 전극부(EP10)에 고정(접합)하기 위한 '고정부재(접합부재)'가 더 구비될 수 있다. 상기 고정부재(접합부재)의 일례로 제1 활물질요소(AE10)를 그에 대응하는 제1 전극부(EP10)에 접합하는 용접부(welding portion)(WD10)가 사용될 수 있다. 용접부(WD10)는, 예컨대, FIB(focused ion beam) 설비를 이용해서 소정의 금속으로 형성될 수 있다. 그러나, 용접부(WD10)의 사용은 선택적이고, 상기 고정부재(접합부재)의 구성은 다양하게 변형될 수 있다. 상기 고정부재(접합부재)의 변형예에 대해서는 추후에 도 9, 도 12, 도 15 등을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제2 활물질요소(AE20)는, 예컨대, 박막(thin film) 또는 박편(thin section) 구조를 가질 수 있다. 본 실시예에 따른 이차 전지 구조가 리튬 이차 전지이고 제2 활물질요소(AE20)가 음극 활물질인 경우, 제2 활물질요소(AE20)는, 예를 들어, 리튬(Li), 실리콘(Si), 탄소(C) 등의 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 제2 활물질요소(AE20)는 Li 박막일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이고, 이차 전지에서 음극 활물질로 사용될 수 있는 물질이면 어느 것이든 제2 활물질요소(AE20)로 적용될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 활물질요소(AE10)와 제2 활물질요소(AE20)가 서로 다른 구조를 갖는 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 제1 활물질요소(AE10)와 제2 활물질요소(AE20)는 동일하거나 유사한 형태를 가질 수도 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 이차 전지 구조는 단일 셀 구조(single cell structure)일 수 있다. 이 구조에서는, 복수의 제1 전극요소(EE10)가 전해질(ET10)을 통해서 제2 전극요소(EE20)에 전기화학적으로 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 제1 전극요소(EE10)의 개수와 제2 전극요소(EE20)의 개수는 서로 다를 수 있다. 다시 말해, 제1 활물질요소(AE10)의 개수와 제2 활물질요소(AE20)의 개수는 서로 다를 수 있다. 이때, 제1 전극요소(EE10)와 제2 전극요소(EE20)의 개수 차이는 2개 이상 혹은 10개 이상일 수 있다. 이러한 이차 전지 구조는 복수의 배터리를 전기적으로 연결한 기존의 배터리 팩(battery pack)과는 전혀 다른 구성을 갖는다고 할 수 있다. 종래에는 하나의 양극과 하나의 음극 및 이들 사이의 전해질이 하나의 셀을 구성하고, 이러한 셀을 복수 개 연결함으로써 하나의 배터리 팩을 구성하였다. 이 경우, 제1셀의 전극과 제2셀의 전극은 전해질을 통해서 전기화학적으로 연결되지 않을 수 있다. 따라서, 기존의 배터리 팩은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조와 전혀 다른 구조를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 것으로, 단일 파티클 구조의 활물질요소를 전극 상에 형성한 경우를 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 3을 참조하면, 전극 상에 단일 파티클 구조의 활물질요소가 구비될 수 있다. 상기 활물질요소(단일 파티클)의 하측부에 용접부(welding portion)가 형성될 수 있다. 도 3에 잘 나타나지는 않았지만, 상기 전극을 덮는 절연층이 구비되고, 상기 절연층은 상기 전극을 노출시키는 개구부(즉, hole)를 가지며, 상기 개구부에 의해 노출된 전극 부분 상에 상기 활물질요소(단일 파티클)가 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 이차 전지 구조를 보여주는 사진이다. 도 4의 이차 전지 구조는 도 1을 참조하여 설명한 바와 유사한 것을 알 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하고, 그 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 서로 다른 물질로 형성된 복수의 활물질요소(AE10a, AE10b, AE10c, AE10d, AE10e)가 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조에 적용될 수 있다. 본 실시예의 복수의 활물질요소(AE10a, AE10b, AE10c, AE10d, AE10e)는, 예컨대, 도 1의 복수의 제1 활물질요소(AE10)로 각각 적용될 수 있다. 도 5에서 참조번호 SUB10, EP10, NL10 및 WD10은 각각 기판, 전극부, 절연층 및 용접부를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 서로 다른 사이즈를 갖는 복수의 활물질요소(AE11a, AE11b, AE11c, AE11d, AE11e)가 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조에 적용될 수 있다. 본 실시예의 복수의 활물질요소(AE11a, AE11b, AE11c, AE11d, AE11e)는, 예컨대, 도 1의 복수의 제1 활물질요소(AE10)로 각각 적용될 수 있다. 도 6에서 참조번호 SUB11, EP11, NL11 및 WD11은 각각 기판, 전극부, 절연층 및 용접부를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조는 복수의 활물질요소(AE12a, AE12b, AE12c, AE12d, AE12e)를 포함할 수 있고, 복수의 활물질요소(AE12a, AE12b, AE12c, AE12d, AE12e) 중 적어도 하나는 복수의 단위구조(a1)를 포함할 수 있다. 상기 단위구조(a1)는, 예컨대, 단일 파티클(single particle)일 수 있다. 또한, 복수의 활물질요소(AE12a, AE12b, AE12c, AE12d, AE12e) 중 적어도 두 개는 서로 다른 개수의 단위구조(a1)를 포함할 수 있다. 이때, 각 활물질요소(AE12a, AE12b, AE12c, AE12d, AE12e)에서 하나의 단위구조(a1)만 전극부(EP12)에 접촉할 수 있고, 나머지 단위구조(a1)는 전극부(EP12)에 접촉된 단위구조(a1)에 직렬로 연결될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고 다양하게 변화될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 전극부(EP12)와 이에 접촉되는 단위구조(a1)를 접합하는 용접부가 더 구비될 수 있다. 본 실시예의 복수의 활물질요소(AE12a, AE12b, AE12c, AE12d, AE12e)는, 예컨대, 도 1의 복수의 제1 활물질요소(AE10)로 각각 적용될 수 있다. 도 7에서 참조번호 SUB12 및 NL12는 각각 기판 및 절연층을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 활물질요소(AE13)는 하나의 전극부(EP13)에 대응하는 복수의 단위구조(a1)를 포함할 수 있다. 단위구조(a1)는, 예컨대, 단일 파티클일 수 있다. 복수의 단위구조(a1) 각각이 하나의 전극부(EP13)에 접촉될 수 있다. 복수의 단위구조(a1)는 서로 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있다. 이러한 활물질요소(AE13)는, 예컨대, 도 1의 복수의 제1 활물질요소(AE10) 중 적어도 어느 하나에 적용될 수 있다. 도 8에서 참조번호 SUB13 및 NL13은 각각 기판 및 절연층을 나타낸다. 도 8의 실시예에서는 복수의 단위구조(a1)가 단층 구조를 이루는 경우를 도시하였지만, 경우에 따라서는, 복층 구조를 이룰 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 전극부(EP14) 상에 활물질요소(AE14)가 구비될 수 있다. 이때, 전극부(EP14)와 활물질요소(AE14) 사이에 소정의 도전성 접착층(conductive adhesive layer)(AL14)이 더 구비될 수 있다. 도전성 접착층(AL14)은 도전성 물질과 접착성 물질을 포함할 수 있다. 상기 도전성 물질은, 예컨대, 탄소(C)를 포함할 수 있고, 상기 접착성 물질은, 예컨대, 폴리머(polymer)를 포함할 수 있다. 상기 접착성 물질은 일종의 바인더(binder)이거나 이와 유사한 물질일 수 있다. 도전성 접착층(AL14)은 도전성 물질을 포함하기 때문에, 비교적 우수한 전기 전도 특성을 가질 수 있다. 이러한 도전성 접착층(AL14)은 도 2의 제1 전극부(EP10)와 제1 활물질요소(AE10) 사이에 적용될 수 있고, 이 경우, 용접부(WD10)는 구비되지 않을 수 있다. 또한, 도전성 접착층(AL14)은 도 2의 제2 전극부(EP20)와 제2 활물질요소(AE20) 사이에도 적용될 수 있다. 도 9에서 참조번호 SUB14 및 NL14는 각각 기판 및 절연층을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 이차 전지 구조에 사용될 수 있는 활물질요소 및 그에 대응하는 기판의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 기판(SUB15)의 일부를 식각하여 리세스 영역(recessed region)(식각 영역)(RR1)을 형성한 후, 리세스 영역(RR1) 내에 파티클 형태의 활물질요소(AE15)를 위치시킬 수 있다. 리세스 영역(RR1)이 형성된 기판(SUB15)의 표면 상에 도전층으로 전극부(EP15)를 형성한 후, 전극부(EP15) 상에 리세스 영역(RR1)에 대응하는 개구부를 갖는 절연층(NL15)을 형성한 다음, 상기 개구부에 의해 노출된 리세스 영역(RR1)의 전극부(EP15) 상에 활물질요소(AE15)를 위치시킬 수 있다. 이때, 리세스 영역(RR1)은 경사진 식각면(내측면)을 가질 수 있다. 이와 같이 리세스 영역(RR1)을 형성한 후, 리세스 영역(RR1)에 활물질요소(AE15)를 배치하면, 활물질요소(AE15)의 위치 제어가 용이할 수 있고, 고정성이 향상될 수 있다. 또한, 활물질요소(AE15)와 전극부(EP15) 사이의 접촉 면적도 넓어지기 때문에, 이와 관련해서, 충방전 특성이 향상될 수 있다.
도 10에서 리세스 영역(RR1)을 보다 깊게 형성하면 도 11과 같은 구조가 얻어질 수 있다. 즉, 도 11은 도 10의 변형예를 보여준다.
도 11을 참조하면, 기판(SUB16)에 리세스 영역(RR2)을 형성할 수 있다. 본 실시예의 리세스 영역(RR2)은 도 10의 리세스 영역(RR1)보다 깊은 깊이로 형성될 수 있다. 리세스 영역(RR2)의 식각면(내측면)의 적어도 일부는 수직하거나 비교적 수직할 수 있다. 리세스 영역(RR2)의 깊이가 깊을수록 리세스 영역(RR2)에 수용/안착 되는 활물질요소(AE16)의 고정성이 향상될 수 있다. 활물질요소(AE16)의 많은 부분이 리세스 영역(RR2) 내에 위치할 수 있다. 도 11에서 참조번호 EP16 및 NL16은 각각 전극부 및 절연층을 나타낸다.
도 5 내지 도 11을 참조하여 설명한 다양한 실시예 중 적어도 두 개가 복합적으로 사용될 수도 있다. 예컨대, 서로 다른 사이즈를 가지며 서로 다른 물질로 형성된 복수의 활물질요소(제1 활물질요소)를 하나의 이차 전지 구조에 적용할 수 있다. 그 밖에도 다양한 변형이 가능할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 12의 구조는 도 2의 구조에서 변형된 것이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지 구조는 제1 활물질요소(AE10)에 압력을 인가하기 위한 가압부재(pressing member)(PM10)를 더 포함할 수 있다. 가압부재(PM10)를 이용해서 제1 활물질요소(AE10)의 위치를 고정할 수 있다. 따라서, 가압부재(PM10)는 일종의 '고정부재'라고 할 수 있다. 이와 같이 가압부재(PM10)를 사용하는 경우, 전해질(ET10) 상에 소정의 커버층(cover layer)(CL10)을 형성한 후, 제1 활물질요소(AE10)가 존재하는 커버층(CL10) 위쪽에 가압부재(PM10)를 위치시킬 수 있다. 커버층(CL10)은 탄성(elasticity)을 갖는 폴리머 물질, 예컨대, PDMS(polydimethylsiloxane) 등으로 형성될 수 있다. 가압부재(PM10)를 이용해서 커버층(CL10) 부분에 압력을 인가함으로써, 제1 활물질요소(AE10)를 고정시킬 수 있다. 가압부재(PM10)는 공기압(공압) 등의 외부 압력을 이용해서 커버층(CL10) 부분을 눌러주는 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 압력은, 예컨대, 약 1 kPa 이상일 수 있다. 상기 압력은 1∼30 kPa 정도일 수 있다. 가압부재(PM10)의 압력에 의해 제1 활물질요소(AE10)가 형성된 커버층(CL10) 부분이 기판(SUB10) 쪽으로 오목해질 수 있다. 가압부재(PM10)를 이용해서 제1 활물질요소(AE10)의 위치를 고정할 경우, 도 2에서 설명한 바와 같은 용접부(WD10)는 형성하지 않을 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 용접부(WD10)와 가압부재(PM10)를 함께 사용할 수도 있다.
다른 실시예에 따르면, 공기압(공압)을 이용하지 않고 소정의 물리적 구조체를 이용해서 제1 활물질요소(AE10)를 직접 가압할 수 있다. 이 경우, 커버층(CL10)은 구비되지 않을 수 있다. 또는, 상기 물리적 구조체를 이용해서 제1 활물질요소(AE10) 위쪽의 전해질(ET10) 부분이나 커버층(CL10) 부분을 가압할 수도 있다. 상기 물리적 구조체는, 예컨대, 핀 구조체(pin structure)일 수 있다. 이러한 핀 구조체(pin structure)에 대해서는 추후에 도 15 내지 도 20을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 본 실시예는 도 2의 구조에서 변형된 것으로, 제1 활물질요소와 제2 활물질요소가 수평 방향으로 이격된 구조의 다른 예를 보여준다.
도 13을 참조하면, 기판(SUB17) 상에 복수의 제1 전극부(EP17)가 형성될 수 있다. 기판(SUB17) 상에 복수의 제1 전극부(EP17)를 덮는 절연층(NL17)이 구비될 수 있다. 절연층(NL17)은 각각의 제1 전극부(EP17)를 노출시키는 개구부(H17)를 가질 수 있다. 각 개구부(H17) 상에 제1 전극부(EP17)와 접촉된 제1 활물질요소(AE17)가 구비될 수 있다. 제1 활물질요소(AE17)는, 예컨대, 파티클 구조를 가질 수 있다. 절연층(NL17)의 표면 상에 복수의 제1 전극부(EP17)와 이격된 제2 활물질요소(AE27)가 구비될 수 있다. 제2 활물질요소(AE27)는, 예컨대, 박막 구조를 가질 수 있다. 제1 활물질요소(AE17)는 양극 활물질이고 제2 활물질요소(AE27)는 음극 활물질이거나, 그 반대일 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제2 활물질요소(AE27)에 접촉된 제2 전극부가 더 구비될 수 있다. 상기 제2 전극부는 일종의 집전체(current collector)일 수 있다. 상기 제2 전극부는 절연층(NL17)과 제2 활물질요소(AE27) 사이에 구비되거나, 제2 활물질요소(AE27) 상에 구비될 수 있다. 상기 제2 전극부가 절연층(NL17)과 제2 활물질요소(AE27) 사이에 구비되는 경우, 상기 제2 전극부는 박막 구조를 가질 수 있고, 상기 제2 전극부가 제2 활물질요소(AE27) 상에 구비되는 경우, 박막 구조를 갖거나 핀(pin) 구조를 가질 수 있다. 미설명된 도면번호 WD17, GP17 및 ET17은 각각 용접부, 가이드 패턴 및 전해질을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 본 실시예는 제1 활물질요소(또는, 제1 전극부)와 제2 활물질요소(또는, 제2 전극부)가 수직 방향으로 이격된 구조를 보여준다.
도 14를 참조하면, 복수의 제1 활물질요소(AE18)는 적어도 하나의 제2 활물질요소(AE28)에 대향하도록 배치될 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(AE18)가 배열된 평면에 수직한 방향으로 제2 활물질요소(AE28)가 이격하여 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 제1 활물질요소(AE18)와 제2 활물질요소(AE28) 사이에 분리막(separator)(SP28)이 더 구비될 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(AE18)는 양극 활물질이고 제2 활물질요소(AE28)는 음극 활물질이거나, 그 반대일 수 있다. 도시하지는 않았지만, 복수의 제1 활물질요소(AE18) 각각에 연결된 제1 전극부 및 제2 활물질요소(AE28)에 연결된 제2 전극부가 더 구비될 수 있다. 상기 제1 전극부는 양극 집전체이고 상기 제2 전극부는 음극 집전체이거나, 그 반대일 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 복수의 제1 활물질요소(AE18)와 제2 활물질요소(AE28) 사이의 이온 이동을 위한 전해질이 더 구비될 수 있다. 분리막(SP10)은 복수의 제1 활물질요소(AE18)와 제2 활물질요소(AE28)를 물리적으로 분리시키면서도 상기 전해질의 이동 또는 상기 전해질을 통한 이온의 이동은 허용하는 요소일 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 15를 참조하면, 제1 기판구조체(SS100) 및 이에 대향하는 제2 기판구조체(SS200)가 구비될 수 있다. 제1 기판구조체(SS100)는 도 2를 참조하여 설명한 이차 전지 구조와 유사한 구조를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 제1 기판구조체(SS100)는 제1 기판(SUB100) 상에 구비된 복수의 제1 전극요소(EE100) 및 적어도 하나의 제2 전극요소(EE200)를 포함할 수 있다. 편의상, 도 15에는 하나의 제1 전극요소(EE100)를 도시하였지만, 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이, 복수의 제1 전극요소(EE100)가 구비된 것으로 여길 수 있다. 제1 전극요소(EE100)는 제1 전극부(EP100) 및 제1 활물질요소(AE100)를 포함할 수 있고, 제2 전극요소(EE200)는 제2 전극부(EP200) 및 제2 활물질요소(AE200)를 포함할 수 있다. 제2 기판구조체(SS200)는 복수의 핀 구조체(pin structure)(P100)를 포함할 수 있다. 복수의 핀 구조체(P100)는 각각 복수의 제1 전극요소(EE100) 및 적어도 하나의 제2 전극요소(EE200)에 대응될 수 있다. 복수의 핀 구조체(P100)는 제1 활물질요소(AE100) 및 제2 활물질요소(AE200)에 전기적으로 연결되면서 이들에 압력을 인가하는 요소일 수 있다. 복수의 핀 구조체(P100) 내에 스프링 요소(spring element)(미도시)가 구비될 수 있고, 이러한 스프링 요소에 의해 복수의 제1 활물질요소(AE100) 및 제2 활물질요소(AE200)를 비교적 일정한 압력으로 가압할 수 있다. 이러한 복수의 핀 구조체(P100)에 의해 복수의 제1 활물질요소(AE100)의 위치가 고정될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제1 기판구조체(SS100)와 제2 기판구조체(SS200) 사이에 복수의 제1 전극요소(EE100) 및 제2 전극요소(EE200)에 접촉된 전해질이 구비될 수 있다. 미설명된 참조번호 NL100은 절연층을 나타낸다.
도 16 및 도 17은 각각 도 15의 제1 기판구조체(SS100) 및 제2 기판구조체(SS200)의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 16을 참조하면, 제1 기판구조체(SS100)는 복수의 제1 전극요소(EE100) 및 적어도 하나의 제2 전극요소(EE200)를 포함할 수 있다. 각각의 제1 전극요소(EE100)는 제1 전극부(EP100)와 제1 콘택패드(CP100) 및 이들 사이를 연결하는 제1 배선부(WP100)를 포함할 수 있다. 제1 전극요소(EE100)는 제1 전극부(EP100) 상에 구비된 제1 활물질요소(AE100)를 더 포함할 수 있다. 제2 전극요소(EE200)는 제2 전극부(EP200) 및 그 위에 구비된 제2 활물질요소(AE200)를 포함할 수 있다. 제2 활물질요소(AE200) 주위에 복수의 제1 활물질요소(AE100)가 구비될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 제2 전극부(EP200)에 연결된 제2 콘택패드가 더 구비될 수도 있다.
도 17을 참조하면, 제2 기판구조체(SS200)는 복수의 핀 구조체(P100)를 포함할 수 있다. 복수의 핀 구조체(P100)의 일부는 도 16에서 설명한 복수의 제1 활물질요소(AE100) 및 제2 활물질요소(AE200)에 대응되도록 위치할 수 있다. 즉, 제2 기판구조체(SS200)의 중앙부에 배치된 아홉 개의 핀 구조체(P100)가 복수의 제1 활물질요소(AE100) 및 제2 활물질요소(AE200)에 대응될 수 있다. 복수의 핀 구조체(P100)의 다른 일부는 도 16에서 설명한 복수의 제1 콘택패드(CP100)에 대응되도록 위치할 수 있다. 즉, 제2 기판구조체(SS200)의 외곽부에 배치된 여덟 개의 핀 구조체(P100)가 복수의 제1 콘택패드(CP100)에 대응될 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 18을 참조하면, 복수의 핀 구조체(P110)를 포함하는 기판구조체(SS210)가 마련될 수 있다. 기판구조체(SS210)의 복수의 홀(hole) 내에 복수의 핀 구조체(P110)가 위치할 수 있다. 각각의 핀 구조체(P110)에 대응하도록 제1 활물질요소(AE110)가 마련될 수 있다. 다시 말해, 복수의 제1 활물질요소(AE110)가 기판구조체(SS210)의 복수의 홀 내에 삽입될 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(AE110)는 일종의 '제1 전극요소'라고 할 수 있다. 기판구조체(SS210) 위쪽에 분리막(SP110)이 배치될 수 있고, 분리막(SP110) 상에 적어도 하나의 제2 활물질요소(AE210)가 배치될 수 있다. 제2 활물질요소(AE210)는 일종의 '제2 전극요소'라고 할 수 있다. 기판구조체(SS210)의 복수의 핀 구조체(P110)가 그에 대응하는 제1 활물질요소(AE110)를 밀어내면서 제1 활물질요소(AE110)를 분리막(SP110)에 압착시킬 수 있다. 결과적으로, 복수의 제1 활물질요소(AE110)가 분리막(SP110)을 사이에 두고 제2 활물질요소(AE210)와 대향 배치될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 기판구조체(SS210)는 제2 활물질요소(AE210)에 전기적으로 연결/접촉되는 적어도 하나의 제2 핀 구조체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 핀 구조체는 분리막(SP110)을 통과하여 제2 활물질요소(AE210)에 연결/접촉될 수 있다. 상기 제2 핀 구조체는 일종의 '제2 집전체'라고 할 수 있다. 그러나, 상기 제2 핀 구조체의 사용은 선택적(optional)이고, 다른 형태의 '제2 집전체'를 사용할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 복수의 제1 활물질요소(AE110)와 제2 활물질요소(AE210) 사이의 이온 이동을 위한 전해질이 더 구비될 수 있다.
도 19는 도 18의 기판구조체(SS210)가 가질 수 있는 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 19를 참조하면, 기판구조체(SS210)는 복수의 제1 활물질요소(도 18의 AE110)에 대응되는 복수의 핀 구조체(P110)를 포함할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 기판구조체(SS210)는 제2 활물질요소(도 18의 AE210)에 전기적으로 연결/콘택되는 제2 핀 구조체를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 핀 구조체는, 예컨대, 기판구조체(SS210)의 외곽부에 구비될 수 있다.
도 20은 도 18의 기판구조체(SS210)가 가질 수 있는 전체적인 구조를 예시적으로 보여주는 사시도이다. 도 20의 기판구조체(SS220)는 도 18의 기판구조체(SS210)뿐 아니라 도 15의 제2 기판구조체(SS200)에도 적용될 수 있다.
도 20을 참조하면, 기판구조체(SS220)는 복수의 미세한 홀(hole)들을 포함할 수 있고, 이러한 홀(hole)들 내부에 핀 구조체(미도시)가 존재할 수 있다. 기판구조체(SS220)의 외곽부에는 소정의 받침 구조 및 가이드 구조가 구비될 수 있다. 도 20의 기판구조체(SS220)의 구체적인 구조는 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변형될 수 있다.
도 15 내지 도 20을 참조하여 설명한 이차 전지의 단면 구조 및 평면 구조는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다. 특히, 도 16, 도 17 및 도 19의 어레이 방식이나 전극/핀들의 개수, 형태 등은 다양하게 변화될 수 있다.
도 21은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 이차 전지 구조를 보여주는 평면도이다.
도 21을 참조하면, 기판(SUB111) 상에 복수의 제1 활물질요소(AE111)가 구비될 수 있다. 또한, 기판(SUB111) 상에 복수의 제1 활물질요소(AE111)와 이격된 적어도 하나의 제2 활물질요소(AE222)가 더 구비될 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(AE111)와 제2 활물질요소(AE222)는 소정의 어레이 구조를 이룰 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(AE111)는 모두 동일한 물질로 형성되거나, 두 종류 이상의 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 또한, 복수의 제1 활물질요소(AE111)는 동일한(혹은, 거의 유사한) 사이즈를 갖거나, 두 종류 이상의 서로 다른 사이즈를 가질 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(AE111) 각각은 단일 파티클(single particle)일 수 있지만, 경우에 따라서는, 그렇지 않을 수도 있다. 도 21에 도시하지는 않았지만, 기판(SUB111) 상에 복수의 제1 전극부가 구비될 수 있고, 각각의 제1 전극부 상에 제1 활물질요소(AE111)가 구비될 수 있다. 이와 유사하게, 기판(SUB111) 상에 적어도 하나의 제2 전극부가 구비될 수 있고, 상기 제2 전극부 상에 제2 활물질요소(AE222)가 구비될 수 있다.
기판(SUB111)의 외곽부에는 복수의 콘택패드(CP111)가 더 구비될 수 있다. 복수의 콘택패드(CP111)는 복수의 제1 활물질요소(AE111) 및 제2 활물질요소(AE222)와 일대일(1:1)로 연결되어 있을 수 있다. 이를 위해, 각각의 콘택패드(CP111)와 그에 대응하는 활물질요소(AE111, AE222)를 연결하는 배선부(미도시)가 더 구비될 수 있다. 도 21에 도시된 어레이 구조는 예시적인 것에 불과하고, 활물질요소들(AE111, AE222) 및 콘택패드(CP111)의 배열 방식, 개수, 구조 등은 다양하게 변화될 수 있다.
도 22는 도 21의 A-A'선에 따른 단면 구조를 보여주는 단면도이다.
도 22를 참조하면, 기판(SUB111) 상에 복수의 제1 전극부(EP111)가 구비될 수 있고, 각각의 제1 전극부(EP111) 상에 제1 활물질요소(AE111)가 구비될 수 있다. 기판(SUB111)의 외곽부에는 복수의 콘택패드(CP111)가 구비될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 각각의 콘택패드(CP111)와 그에 대응하는 제1 활물질요소(AE111)를 연결하는 배선부가 더 구비될 수 있다. 또한, 도 22의 구조는 도 2에서 설명한 절연층(NL10) 및 전해질(ET10)에 대응하는 요소들(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 21 및 도 22의 구조에서는 복수의 제1 활물질요소(AE111)와 제2 활물질요소(AE222)가 개별적으로 제어될 수 있다. 이와 관련해서, 복수의 제1 활물질요소(AE111)와 제2 활물질요소(AE222)에 어드레스(address)를 부여할 수 있고, 어드레스(address) 별로 선택적 온/오프(ON/OFF) 동작을 수행할 수 있다. 다시 말해, 복수의 제1 활물질요소(AE111)와 제2 활물질요소(AE222)에 대응되는 복수의 전극(어레이 전극) 각각에 어드레스(address)를 부여할 수 있고, 어드레스(address) 별로 전극을 선택적으로 동작시킬 수 있다.
이하에서는, 도 21 및 도 22와 같은 구성을 갖는 이차 전지 구조에 대하여 분석 및 평가를 수행하는 방법에 대해 설명한다. 이러한 분석 및 평가는 각각의 제1 활물질요소(AE111)에 대해서 수행할 수 있다. 각각의 제1 활물질요소(AE111)가 하나의 입자(즉, single particle)인 경우, 상기 분석 및 평가는 입자 레벨에서 수행될 수 있다.
도 23은 도 22의 이차 전지 구조에 대한 분석/평가를 수행하는 방법을 보여주는 개념도이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 소정의 분석기기(AN1)를 이용해서 복수의 제1 활물질요소(AE111)에 대한 분석/평가를 수행할 수 있다. 각각의 제1 활물질요소(AE111)가 하나의 입자(즉, single particle)인 경우, 입자 레벨의 소재 분석이 가능할 수 있다. 예컨대, Raman 분석, Auger 분석, SEM(scanning electron microscope) 분석, X-ray 분석 등이 가능할 수 있다. 이러한 소재 분석은 어드레스(address)가 부여된 각각의 제1 활물질요소(AE111)에 대하여 수행될 수 있다. 또한, 각각의 제1 활물질요소(AE111)에 부여된 어드레스(address) 별로 다양한 전기화학적 데이터를 얻을 수 있다. 즉, 각각의 제1 활물질요소(AE111)에 대응하는 전기화학적 데이터를 얻을 수 있다. 상기 전기화학적 데이터는, 예컨대, 전기전도도, OCV(open circuit voltage) 특성, 충방전 특성 등일 수 있다. 상기 어드레스(address) 별로 얻어진 다양한 전기화학적 데이터(전기전도도, OCV 특성, 충방전 특성 등)와 재료 분석 데이터(Raman 분석, Auger 분석, SEM 분석, X-ray 분석 등)를 취합하고 이들 사이의 연관성을 분석/평가할 수 있다. 이를 위해 다양한 통계처리 방식 및 분석 방법이 적용될 수 있다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조에 포함된 네 개의 단일 파티클(P-1, P-2, P-3, P-4)에 대한 SEM 사진을 보여준다. 도 25는 상기 네 개의 단일 파티클(P-1, P-2, P-3, P-4)에 대한 Raman 분석 결과를 보여주는 그래프이다. 도 26은 상기 네 개의 단일 파티클(P-1, P-2, P-3, P-4)에 대한 충방전 특성 평가 결과를 보여주는 그래프이다. 여기서, 상기 네 개의 단일 파티클(P-1, P-2, P-3, P-4)은 LiCoO2 파티클이고, 이차 전지의 양극 활물질로 사용된다.
도 24의 SEM 사진으로부터 각 파티클의 사이즈나 모양 등을 알 수 있고, 이러한 정보로부터 이론적인 충전 용량 등을 예상할 수 있다. 도 25의 Raman 분석 결과부터 각 파티클의 결정 특성, 원자간 결합 특성 등을 알 수 있다. 도 26의 결과로부터 각 파티클의 충방전 특성을 알 수 있다. 도 24 내지 도 26의 결과를 비교/분석함으로써, 파티클의 사이즈나 소재 특성과 충방전 특성 사이의 상관 관계를 도출할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 하나의 이차 전지 구조에서 여러 개의 활물질요소(ex, 단일 파티클)에 대한 다양한 방식의 분석을 독립적으로 수행할 수 있으므로, 분석/평가의 효율성을 획기적으로 개선할 수 있다. 복수의 활물질요소 중 어느 하나의 활물질요소(ex, 단일 파티클)에 대하여 여러 가지 분석을 수행할 수 있고, 이러한 분석 결과들을 비교/평가할 수 있다. 복수의 활물질요소 각각에 대한 다양한 데이터를 확보할 수 있다. 따라서, 소재 특성과 전기화학적 특성 사이의 상관성을 용이하게 알아낼 수 있다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조에 포함된 단일 파티클의 충방전 전/후의 상태를 보여주는 SEM 사진이다. 도 28은 도 27의 충방전 전/후의 단일 파티클에 대한 Auger 분석 결과를 보여주는 그래프이다. 상기 단일 파티클은 LiCoO2 및 Ni, Co, Mn을 포함하는 OLO(over-lithiated oxide) 파티클이고, 이차 전지의 양극 활물질로 사용된다. 충방전 전/후의 상태는 열화 전/후의 상태라고 할 수 있다.
도 27의 SEM 분석 결과로부터 충방전 동작에 따른 파티클의 상태 변화, 미세구조(형상) 변화 등을 알 수 있다. 도 28의 Auger 분석 결과로부터 충방전에 의한 파티클의 조성 변화, 특히, Mn, Co, Ni와 같은 금속 성분의 조성 변화를 알 수 있다. Auger 분석은, 특히, 물질의 표면 성분/조성을 분석하는데 유리할 수 있다. 도 27 및 도 28과 같은 정보를 활용하면, 충방전에 따른 활물질요소(ex, 단일 파티클)의 열화 정도 및 특성 변화 등을 분석할 수 있다. 나아가, 충방전에 따른 활물질요소의 일함수(work function) 변화 및 에너지 밴드갭(energy bandgap) 변화도 유추할 수 있다.
도 29 및 도 30은 도 23 등을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 분석/평가 방법을 통해 얻어진 결과(중간결과) 데이터를 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 29는 복수의 활물질요소(AE111)의 소정 품질에 대한 분포 곡선이고, 도 30은 재료의 품질과 충방전 용량 사이의 상관 관계를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 29를 참조하면, 도 23을 참조하여 설명한 방법을 이용해서, 복수의 활물질요소(AE111)의 소정 품질에 대한 분포 곡선을 얻을 수 있다. 즉, 복수의 활물질요소(AE111)의 특정 품질에 대한 개별적인 분석을 수행한 후, 그 결과를 취합함으로써, 도 29와 같은 분포 곡선을 얻을 수 있다. 각각의 활물질요소(AE111)에 대한 어드레스(address)가 존재하기 때문에, 어느 위치에 있는 활물질요소(AE111)가 어떤 품질을 갖는지에 대한 정보를 확보할 수 있다. 또한, 유사한 품질을 갖는 활물질요소들(AE111)을 그룹핑(grouping)하여, 각 그룹에 대한 전기화학적 특성을 확인할 수 있다. 예컨대, 도 29에 표시된 네 개의 영역, 즉, ①, ②, ③, ④ 영역에 해당하는 활물질요소들(활물질요소 그룹들)의 충방전 특성을 확인할 수 있다. 그 결과, 도 30과 같은 데이터가 얻어질 수 있다.
도 30은 도 29에 표시된 ①, ②, ③, ④ 영역에 해당하는 활물질요소들(활물질요소 그룹들)의 충방전 특성을 예시적으로 보여주는 그래프이다. 이를 통해, 재료의 특정 품질과 충방전 용량 사이의 상관 관계를 용이하게 확인할 수 있다. 예컨대, ③ 영역에 대응하는 활물질요소들이 우수한 충방전 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 특정 품질(ex, 입자 사이즈, 물질 조성, 결정 구조 등)을 갖는 활물질요소가 이차 전지에서 어떠한 전기화학적 특성(예컨대, 충방전 특성)을 나타낼 수 있는지를 용이하게 확인할 수 있다. 도 29 및 도 30의 결과는 예시적인 것에 불과하고, 분석 및 평가 방법은 매우 다양하게 변화될 수 있다.
도 31은 비교예에 따른 이차 전지 및 이에 대한 분석 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 31에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 이차 전지는 코인셀(coin cell) 내에 다량의 활물질 파우더(powder)를 넣어서 제작되고, 이러한 코인셀(coin cell)에 대한 분석을 수행한다. 이 경우, 활물질 파우더의 평균 물성치(예컨대, 평균 입경, 평균 조성)를 기준으로 이차 전지의 성능이 평가되고, 재료(활물질)의 품질 분포와 전지 성능의 상관성을 추출하기는 어려울 수 있다. 즉, 재료(활물질)의 특정 품질과 전지의 특정 성능 사이의 상관성을 정밀하고 정확하게 분석하기는 매우 어려울 수 있다. 또한, 코인셀 전지는 제조 단가가 비교적 높기 때문에, 코인셀 전지를 이용할 경우, 분석/평가 및 연구/개발의 비용 측면에서도 불리할 수 있다.
그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 활물질요소(예컨대, 복수의 단일 파티클) 각각에 대한 소재 분석 및 전기화학적 분석 등 다양한 분석이 가능하고, 확보된 데이터들을 취합하고 통계 처리함으로써, 재료의 다양한 특성과 전지 성능 사이의 상관성을 정밀하고 정확하게 도출할 수 있다. 이와 관련해서, 이차 전지의 개발 단계에서 특정 불량의 구체적인 원인을 용이하게 파악할 수 있다. 특히, 하나의 칩 구조(이차 전지 구조)를 이용해서 재료에 대한 분석과 전기화학적 특성(전지 특성)에 대한 평가를 인-시츄(in-situ)로 수행할 수 있다. 또한, 하나의 칩 구조(이차 전지 구조) 내에 물질, 물성, 사이즈 등이 서로 다른 복수의 활물질요소를 구비시키고 이들에 대한 분석 및 평가를 진행할 수 있으므로, 다양한 활물질에 대한 분석을 동시에(용이하게) 수행할 수 있다. 또한, 활물질뿐 아니라 활물질과 조합되는 전해질이나 전극, 접착층 등에 대한 분석/평가에도 본 발명의 실시예가 활용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 이차 전지의 활물질, 전해질, 전극, 접착층 등 다양한 재료에 대한 분석/평가 기술을 획기적으로 개선할 수 있다. 특히, 하이-쓰루풋(high-throughput) 분석이 가능하고, 이차 전지의 개발/생산을 위한 리드-타임(lead-time)을 크게 단축시킬 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조, 예컨대, 도 21의 구조에서 제1 활물질요소(AE111)의 개수를 증가시키면 활물질에 대한 분석/평가의 신뢰성을 높일 수 있다. 이와 관련해서, 제1 활물질요소(AE111) 및 그에 대응하는 마이크로전극의 개수는 수십 개 이상 또는 약 100개 이상일 수 있다. 모집단의 크기가 100만개 이상인 경우, 모집단과 다른 유의차(significant difference)를 갖는 표본집단을 발견하기 위한 표본집단의 크기는 약 300∼1000개 정도일 수 있다. 이 경우, 신뢰도 95% 및 오차범위 5% 이내의 평가를 위해서는, 약 380개 정도의 활물질요소 및 그에 대응하는 마이크로전극이 요구될 수 있다. 그러나, 제1 활물질요소(AE111)의 개수가 반드시 수십 개 이상일 필요는 없으며, 이차 전지 구조의 용도에 따라 그 개수는 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조를 재료의 분석/평가 단계(즉, 연구/개발 단계)가 아닌 실제 전자기기의 전력원(배터리)으로 적용하는 경우, 각 전극에 대한 선택적 온/오프(ON/OFF) 동작이 가능한 것과 관련해서, 배터리의 안정성을 향상시킬 수 있고 수명을 연장시킬 수 있다. 이에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 복수의 활물질요소에 각각 연결된 복수의 전극들에 대한 출력 전압을 주기적으로 모니터링(monitoring) 하면서 비정상 전극이 발견되었을 때, 비정상 전극의 전기적 연결을 선택적으로 차단함으로써, 비정상 전극 혹은 이에 연결된 비정상 활물질요소로 인한 문제(발열, 발화, 수명 단축 등)를 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리의 안정성 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 기존의 배터리 구조에서는, 국부 영역(local area)에서 발생된 손상에 의해 셀 전체가 손상되거나 나아가 배터리 팩(battery pack) 전체가 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 기존 배터리 구조의 경우, 셀 내부의 미세 영역(국부 영역)에서 발생된 손상은 셀 전체의 손상으로 나타나기 전까지 알 수 없거나 통제하는 것이 불가능하였다. 그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 단일 배터리 셀 내부의 미세 전극별로 이상 여부를 파악할 수 있고, 국부적인 영역에서 발생된 문제가 셀 전체에 영향을 주기 전에 차단/제거할 수 있다. 결과적으로, 비이상적 발열, 열폭주, 폭발, 발화 등의 문제를 방지하여, 안정성 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 웨어러블(wearable)/플렉서블(flexible)/모바일(mobile) 배터리의 경우, 소형화/박막화 문제와 더불어 안정성 문제가 매우 중요할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조가 유용하게 적용될 수 있다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 복수의 전극에 대한 선택적 온/오프(ON/OFF) 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 32를 참조하면, 복수의 제1 전극요소(E10)가 구비될 수 있고, 적어도 하나의 제2 전극요소(E20)가 구비될 수 있다. 여기서는, 하나의 제2 전극요소(E20)가 사용되는 경우가 도시되어 있다. 복수의 제1 전극요소(E10)는 제2 전극요소(E20)에 전기화학적으로 병렬로 연결될 수 있다. 복수의 제1 전극요소(E10)는 제1 활물질요소를 포함할 수 있고, 제2 전극요소(E20)는 제2 활물질요소를 포함할 수 있다. 상기 제1 활물질요소는 양극 활물질이고 상기 제2 활물질요소는 음극 활물질이거나, 그 반대일 수 있다. 각각의 제1 전극요소(E10)에 연결된 제1 패드부(P10)가 더 구비될 수 있고, 제2 전극요소(E20)에 연결된 제2 패드부(P20)가 더 구비될 수 있다. 복수의 제1 전극요소(E10) 중 어느 하나에서 비이상적 신호가 감지되면, 이를 선택적으로 오프(OFF) 시킬 수 있다. 오프(OFF)된 제1 전극요소(E10)를 제외한 나머지 제1 전극요소들(E10)은 정상적으로 동작되어 충방전에 기여할 수 있다. 오프(OFF)시키는 제1 전극요소(E10)의 수는 두 개 이상으로 늘어날 수 있다.
도 32에서는 하나의 제2 전극요소(E20)를 사용하는 경우를 도시하였지만, 두 개 이상의 제2 전극요소(E20)를 사용할 수도 있다. 그 일례가 도 33에 도시되어 있다. 도 33을 참조하면, 복수의 제2 전극요소(E20)가 구비될 수 있고, 이들 각각에 연결된 제2 패드부(P20)가 구비될 수 있다. 복수의 제1 전극요소(E10)는 각각의 제2 전극요소(E20)에 전기화학적으로 병렬로 연결될 수 있다. 복수의 제1 전극요소(E10) 중 어느 하나를 선택적으로 오프(OFF) 시킬 수 있다. 또한, 복수의 제2 전극요소(E20) 중 어느 하나를 선택적으로 오프(OFF) 시킬 수도 있다. 도 32 및 도 33에 도시된 제1 전극요소(E10) 및 제2 전극요소(E20)의 수는 예시적인 것이고, 달라질 수 있다. 경우에 따라서는, 제1 전극요소(E10)의 수와 제2 전극요소(E20)의 수는 동일할 수도 있다.
도 32의 이차 전지 구조 및 도 33의 이차 전지 구조는 하나의 셀 구조, 즉, 단일 셀 구조일 수 있고, 이러한 단일 셀 구조 복수 개를 전기적으로 연결하여 사용할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서 하나의 전극부(전극층)를 하나의 픽셀(pixel)과 같이 간주하고, 디스플레이 패널(display panel)과 유사한 구동 회로를 구성하면, 각 픽셀(전극) 별로 전류/전압을 감지할 수 있고 개별적인 제어가 가능할 수 있다. 이와 함께, 각 전극(픽셀)의 출력 전압을 주기적으로 모니터링(monitoring)하여 비정상 전극의 전기적 연결을 차단하는 기능을 갖는 회로를 전지 내부 혹은 외부에 도입할 수 있다. 다시 말해, 각 전극(픽셀)의 온/오프(ON/OFF) 여부를 제어하는 장치를 도입할 수 있다. 이와 관련해서, 본 발명의 실시예들은 수동 소자(passive device)인 이차 전지를 능동 소자(active device)로 제작할 수 있는 기반 기술을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조는 소형/초소형 전지로 제조될 수 있다. 예컨대, 전극 어레이(마이크로전극 어레이) 상에 복수의 파티클을 형성하는 방법으로 박막형 이차 전지를 제조할 수 있다. 이러한 점에서 상기 이차 전지 구조는 '마이크로배터리(microbattery)' 또는 '나노배터리(nanobattery)'라고 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조는 초소형 정밀 기계 부품이나 MEMS(microelectromechanical system)와 같은 미세 소자, 스마트 카드나 메모리 소자 등의 전력원으로 용이하게 적용될 수 있다. 여기서, MEMS 기반의 소자는 MAV(micro air vehicle)나 자동 투약 시스템 등 다양한 분야의 소자를 포괄할 수 있다. 또한, 상기 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조는 SOC(system-on-chip) 기술에도 적용될 수 있다.
부가해서, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조는 도 1 및 도 2 등에서 설명한 바와 같이 2차원적 배열 구조를 가질 수 있지만, 경우에 따라서는, 3차원적 적층 구조를 가질 수도 있다. 예컨대, 도 14에서 설명한 바와 같이, 제1 활물질요소(AE18)와 제2 활물질요소(AE28)가 수직 방향으로 이격되어 있는 적층 구조를 가질 수 있다. 상기 3차원적 적층 구조도 2차원적 배열 구조를 포함할 수 있고, 얇은 두께를 가질 수 있다. 상기 2차원적 배열 구조에서 활물질요소의 개수를 늘리거나, 상기 3차원적 적층 구조에서 적층 횟수를 증가시킴으로써, 이차 전지의 충전 용량을 용이하게 증가시킬 수 있다.
도 34a 내지 도 34e는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 구조의 제조방법을 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 도 2의 구조를 제조하는 방법을 예시적으로 보여준다.
도 34a를 참조하면, 기판(100) 상에 복수의 전극부(110a, 110b)를 형성할 수 있다. 기판(100)은, 예컨대, 실리콘 기판과 같은 반도체 기판일 수 있다. 이 경우, 기판(100) 상에 실리콘 산화물층과 같은 절연층(미도시)을 형성한 후, 상기 절연층 상에 복수의 전극부(110a, 110b)를 형성할 수 있다. 기판(100)의 물질은 다양하게 변화될 수 있고, 상기 절연층을 사용할 경우, 그 물질도 다양하게 변화될 수 있다.
복수의 전극부(110a, 110b)는 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA)를 구성할 수 있다. 복수의 전극부(110a, 110b)는 포토리소그라피(photolithography) 공정으로 형성하거나, 그 밖에 다른 방법, 예컨대, 리프트-오프(lift-off) 방법이나 전자빔 리소그라피(electron beam lithography) 공정 등으로 형성할 수도 있다. 복수의 전극부(110a, 110b)는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 탄소(C) 중 적어도 하나로 형성할 수 있다. 여기서, 탄소(C)를 포함하는 물질은 그래핀(graphene)이나 그라파이트(graphite) 등일 수 있다. 복수의 전극부(110a, 110b)는 단층 구조를 갖거나 이층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다. 구체적인 예로, 복수의 전극부(110a, 110b)는 Ti층 및 그 위에 Pt층을 갖는 이중층 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 Ti층은 기판(100)과의 접착력 향상을 위해 사용하는 금속이고, 상기 Pt층은 전극부(110a, 110b) 상에 형성되는 활물질요소(도 34d의 140a, 140b)와 접촉하는 금속일 수 있다. 여기서 제시한 이중층 구조(즉, Ti/Pt 구조)는 예시적인 것이고, 복수의 전극부(110a, 110b)의 구체적인 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 복수의 전극부(110a, 110b)는, 예컨대, 10∼1000 nm 정도의 두께로 형성할 수 있다.
복수의 전극부(110a, 110b)는 복수의 제1 전극부(110a)를 포함할 수 있고, 이와 이격된 적어도 하나의 제2 전극부(110b)를 포함할 수 있다. 복수의 제1 전극부(110a)와 적어도 하나의 제2 전극부(110b)는 동일한 물질/구성으로 형성할 수 있다. 그러나, 경우에 따라, 제1 전극부(110a)와 제2 전극부(110b)는 서로 다른 물질/구성으로 형성할 수도 있다. 제1 전극부(110a)는 양극 집전체(cathode current collector)이고 제2 전극부(110b)는 음극 집전체(anode current collector)이거나, 그 반대일 수 있다.
도 34b를 참조하면, 기판(100) 상에 복수의 전극부(110a, 110b)를 덮는 절연층(120)을 형성할 수 있다. 절연층(120)은 복수의 개구부(H1, H2)를 포함할 수 있다. 복수의 개구부(H1, H2)는 제1 전극부(110a) 각각의 일부를 노출시키는 제1 개구부(H1) 및 제2 전극부(110b)의 일부를 노출시키는 제2 개구부(H2)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 개구부(H1, H2)의 직경은 수 ㎛ 내지 수백 ㎛, 예컨대, 약 10㎛ 내지 100㎛ 정도일 수 있다. 절연층(120)은, 예컨대, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiNx), 알루미늄 산화물(Al2O3), 절연성 고분자 물질 등으로 구성된 다양한 절연 물질 중 적어도 하나로 형성할 수 있다. 절연층(120)은 패시베이션층(passivation layer) 또는 보호층(protective layer)이라 할 수 있다.
도 34c를 참조하면, 절연층(120) 상에 소정의 가이드 패턴(guide pattern)(130)을 형성할 수 있다. 가이드 패턴(130)은 기판(100) 가장자리부의 절연층(120) 상에 형성할 수 있다. 가이드 패턴(130)은 소정의 절연 물질, 예컨대, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiNx), 알루미늄 산화물(Al2O3), 절연성 고분자 물질 등으로 형성할 수 있다. 가이드 패턴(130)의 형성 시점은 달라질 수 있고, 경우에 따라, 가이드 패턴(130)을 사용하지 않을 수도 있다.
도 34d를 참조하면, 제1 전극부(110b)에 전기적으로 연결된(콘택된) 제1 활물질요소(140a)를 형성할 수 있고, 제2 전극부(110b)에 전기적으로 연결된(콘택된) 제2 활물질요소(140b)를 형성할 수 있다. 제1 활물질요소(140a)는 제1 개구부(H1) 내에 구비될 수 있고, 제2 활물질요소(140b)는 제2 개구부(H2) 내에 구비될 수 있다. 제1 활물질요소(140a)를 먼저 형성한 후, 제2 활물질요소(140b)를 형성하거나, 그 반대일 수 있다.
복수의 제1 활물질요소(140a)는, 예컨대, 파티클(particle) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 각각의 제1 활물질요소(140a)는 단일 파티클(single particle)일 수 있다. 상기 파티클의 지름은 1㎛ 내지 100㎛ 정도, 예컨대, 5㎛ 내지 30㎛ 정도일 수 있다. 그러나, 경우에 따라, 상기 파티클의 지름은 1㎛ 보다 작을 수도 있다. 본 실시예에 따라 제조되는 이차 전지 구조가 리튬 이차 전지이고 제1 활물질요소(140a)가 양극 활물질인 경우, 제1 활물질요소(140a)는, 예컨대, 리튬(Li) 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 Li 금속 산화물은, 예를 들어, Li2MnO3, Li2CoO3, LiCoO2, LiFePO4, OLO(over-lithiated oxide) 등일 수 있다. 이차 전지에서 양극 활물질로 사용될 수 있는 물질이면 어느 것이든 제1 활물질요소(140a)로 적용될 수 있다. 제1 활물질요소(140a)는 제1 전극부(110a)의 표면에 직접 접촉될 수 있다. 제1 활물질요소(140a)가 파티클 구조를 갖는 경우, 소정의 파티클 전이(particle transfer) 공정을 이용해서 제1 활물질요소(140a)를 제1 전극부(110a) 상에 위치시킬 수 있다. 예컨대, 프로브(probe)와 현미경 및 위치이동 스테이지(ex, XY stage)로 구성된 마이크로샘플링 툴(microsampling tool)을 이용해서 상기 파티클 전이 공정을 수행할 수 있다. 프로브(probe) 끝에 파티클을 부착시킨 후, 이를 제1 전극부(110a)로 옮길 수 있다. 이때, 상기 프로브(probe)의 재질은 텅스텐(W)일 수 있고, 파티클은 반데르 발스(van der Waals) 힘에 의해 프로브(probe) 끝에 부착될 수 있다. 두 개의 프로브(probe)를 이용하면 파티클 전이 공정을 보다 용이하게 진행할 수 있다. 제1 전극부(110a)로 옮겨진 파티클은 외부의 강한 충격이 없는 이상 제1 전극부(110a) 표면 상에 잘 고정되어 있을 수 있다. 여기서 설명한 파티클 전이 공정은 예시적인 것이고, 제1 활물질요소(140a)를 형성(전이)하는 방법은 매우 다양하게 변화될 수 있다.
부가적으로, 제1 활물질요소(140a)를 제1 전극부(110a)에 고정(접합)하기 위한 '고정부재(접합부재)'를 더 구비시킬 수 있다. 상기 고정부재(접합부재)의 일례로 제1 활물질요소(140a)를 그에 대응하는 제1 전극부(110a)에 접합하는 용접부(welding portion)(145a)가 사용될 수 있다. 용접부(145a)는, 예컨대, FIB(focused ion beam) 설비를 이용해서 소정의 금속으로 형성할 수 있다. FIB 설비를 이용해서 제1 활물질요소(140a)와 제1 전극부(110a) 사이에 금속 스퍼터링(metal sputtering) 공정을 진행함으로써 용접부(145a)를 형성할 수 있다. 용접부(145a)는, 예컨대, Pt, Au, Cu, Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Co, Al 등의 금속이나 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 그러나, 용접부(145a)의 사용은 선택적이고, 상기 고정부재(접합부재)의 구성은 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 용접부(145a)를 사용하지 않고, 제1 전극부(110a)와 제1 활물질요소(140a) 사이에 소정의 도전성 접착층(conductive adhesive layer)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 도 9에 도시된 바와 같은 구조를 얻을 수 있다. 또는, 기판(100)의 일부를 식각하여 리세스 영역을 형성한 후, 상기 리세스 영역 상에 제1 전극부(110a)를 형성한 다음, 상기 리세스 영역의 제1 전극부(110a) 상에 제1 활물질요소(140a)를 형성할 수 있다. 이 경우, 도 10 및 도 11과 같은 구조를 형성할 수 있다. 또는, 소정의 핀 구조체(pin structure)를 이용해서 제1 활물질요소(140a)에 소정의 압력을 인가하거나, 핀 구조체(pin structure) 이외에 다른 가압부재를 이용해서 제1 활물질요소(140a)에 압력을 인가할 수 있다. 이 경우, 도 12나 도 15 또는 도 18과 같은 구조를 얻을 수 있다. 또는, 소정의 가열 공정을 이용해서 제1 활물질요소(140a)를 제1 전극부(110a)에 고정시킬 수도 있다. 상기 가열 공정은, 예컨대, 약 150℃의 온도로 수행할 수 있다. 상기 가열 공정의 온도는 약 150∼800℃ 사이일 수 있다. 외부에서 제1 활물질요소(140a)와 제1 전극부(110a)에 열을 인가하는 방법을 사용하거나, 제1 활물질요소(140a)와 제1 전극부(110a) 사이에 과전류를 인가하는 방법으로 열을 발생시킬 수 있다. 이러한 가열 공정을 통해 제1 활물질요소(140a) 및/또는 제1 전극부(110a)의 일부를 녹여줌으로써, 이들 사이의 물리적 결합력을 향상시킬 수 있다. 그 밖에도 제1 활물질요소(140a)를 제1 전극부(110a)에 고정하는 방법은 다양하게 변화될 수 있다.
제2 활물질요소(140b)는, 예컨대, 박막(thin film) 또는 박편(thin section) 구조를 가질 수 있다. 본 실시예에 따라 제조되는 이차 전지 구조가 리튬 이차 전지이고 제2 활물질요소(140b)가 음극 활물질인 경우, 제2 활물질요소(140b)는, 예를 들어, 리튬(Li), 실리콘(Si), 탄소(C) 등의 물질 중 적어도 하나를 포함하도록 형성될 수 있다. 구체적인 예로, 제2 활물질요소(140b)는 Li 박막일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이고, 이차 전지에서 음극 활물질로 사용될 수 있는 물질이면 어느 것이든 제2 활물질요소(140b)로 적용될 수 있다. 제2 활물질요소(140b)의 사이즈(너비)는 제1 활물질요소(140a)보다 클 수 있다. 본 실시예에서는 제1 활물질요소(140a)와 제2 활물질요소(140b)가 서로 다른 구조를 갖는 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 제1 활물질요소(140a)와 제2 활물질요소(140b)는 동일하거나 유사한 형태를 가질 수도 있다.
도 34e를 참조하면, 절연층(120) 상에 제1 및 제2 활물질요소(140a, 140b)에 접촉된 전해질(150)을 형성할 수 있다. 전해질(150)은 가이드 패턴(130) 내에 구비될 수 있다. 전해질(150)은 액체 전해질이거나 고체 전해질일 수 있다. 상기 고체 전해질을 사용하는 경우, 가이드 패턴(130)은 형성하지 않을 수 있다. 복수의 제1 활물질요소(140a)는 전해질(150)을 통해서 적어도 하나의 제2 활물질요소(140b)에 전기화학적으로 병렬로 연결될 수 있다. 제1 전극부(110a) 및 그에 대응하는 제1 활물질요소(140a)는 '제1 전극요소'를 구성한다고 할 수 있고, 이와 유사하게, 제2 전극부(110b) 및 그에 대응하는 제2 활물질요소(140b)는 '제2 전극요소'를 구성한다고 할 수 있다.
도 34a 내지 도 34e의 실시예에서는 도 2의 이차 전지 구조를 제조하는 방법을 도시하고 설명하였지만, 이 방법을 변형하면, 도 13의 이차 전지 구조를 제조할 수 있다. 또한, 본 실시예의 방법을 변형하면, 도 5 내지 도 12 및 도 14 내지 도 22를 참조하여 설명한 다양한 이차 전지 구조를 제조할 수 있다. 이러한 방법의 변형은 당업자가 용이하게 알 수 있는바, 이에 대한 자세한 설명은 배제한다.
도 34e와 같은 이차 전지 구조에 대한 충방전 테스트 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다. 도 34d와 같은 구조를 소정의 전해질 용액에 담그고 전기화학 분석장치(ex, potentiostat 장치)에 전기적으로 연결할 수 있다. 이 경우, 상기 전해질 용액이 곧 도 34e의 전해질(150)에 해당할 수 있다. 상기 전해질 용액은, 예컨대, DMC(dimethyl carbonate), EC(ethylene carbonate) 및 FEC(fluoroethylene carbonate)의 혼합 용액에 1M 농도의 LiPF6가 녹아 있는 용액일 수 있다. 제1 활물질요소(140a)의 물질에 따라 사용하는 포텐셜 윈도우(potential window)가 다를 수 있으므로, 사용하는 제1 활물질요소(140a) 물질에 따라 전압 값을 셋팅(setting)할 수 있다. 예컨대, OLO(over-lithiated oxide)를 제1 활물질요소(140a)로 사용하는 경우, 상기 전압 값은 약 2.5∼4.7 V 일 수 있고, LiCoO2를 제1 활물질요소(140a)로 사용하는 경우, 상기 전압 값은 약 2.0∼4.3 V 일 수 있다. 또한, 제1 활물질요소(140a)가 단일 파티클인 경우, 그 사이즈에 따라 이론적인 충방전 용량이 달라지므로, 그에 따라 적절한 C-rate를 설정하여 충방전 테스트를 진행할 수 있다. 그러나, 여기서 설명한 충방전 테스트 방법은 예시적인 것에 불과하고, 이 방법은 다양하게 변화될 수 있다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 충방전 특성을 보여주는 그래프이다. 즉, 도 35는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 충방전시 전위(potential)(Ewe)-캐패시티(capacity) 특성을 보여주는 그래프이다. 본 실시예에 따른 이차 전지 구조는 단일 파티클을 양극 활물질로 포함한다. 이때, 상기 단일 파티클의 입경은 9 ㎛ 였고, 1.7 nA의 전류로 80회 충방전을 진행하면서 특성을 평가하였다.
도 35의 결과로부터, 이차 전지 구조에 포함된 단일 파티클(양극 활물질)에서 0.18 nA 수준의 용량이 얻어지는 것을 알 수 있다. 이러한 용량을 코인셀(coin cell) 기준으로 환산하면, 약 107 mA/g 수준에 해당할 수 있다.
도 36은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 충방전 특성을 보여주는 그래프이다. 즉, 도 36은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 충방전시 전위(potential)(Ewe)-시간(time) 특성을 보여주는 그래프이다. 본 실시예에 따른 이차 전지 구조는 단일 파티클을 양극 활물질로 포함한다. 이러한 이차 전지 구조에 2.5∼4.7 V의 전압 범위에서 반복적인 충방전을 진행하면서 특성을 평가하였다.
도 36의 결과로부터, 1회 충방전시 약 11분 정도가 소요되는 것을 알 수 있다. 충전에 약 5.5분, 방전에 약 5.5분 정도가 소요되었다. 이 결과는 5C의 C-rate 수준으로 충방전을 진행하여 얻어진 것이다. 종래의 코인셀(coin cell)을 비롯한 일반적인 배터리는 충방전 속도가 빨라지면, 즉, C-rate가 커지면 적절한 충방전 용량을 나타내지 못할 수 있다. 하지만 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 경우, 5C의 빠른 충방전 속도에서도 이론적인 용량의 50%에 가까운 충방전 성능을 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 고속 충전에서도 고용량의 성능을 유지할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 이차 전지용 재료 분석에 있어서, 하이-쓰루풋(high-throughput) 분석이 가능하다는 것을 의미한다.
도 37은 비교예에 따른 이차 전지의 충방전 특성을 보여주는 그래프이다. 즉, 도 37은 비교예에 따른 이차 전지의 충방전시 전압(voltage)-시간(time) 특성을 보여주는 그래프이다. 여기서, 비교예에 따른 이차 전지는 도 31을 참조하여 설명한 코인셀(coin cell) 구조를 갖는다. 도 37의 결과로부터 비교예에 따른 이차 전지의 경우, 1회 충방전 시간이 약 15 시간 정도로 충방전 속도가 매우 느린 것을 알 수 있다.
일반적인 충방전 실험은 코인셀을 이용해서 진행되고, 이 경우, 0.2C 정도의 C-rate로 낮은 전류에서 오랜 시간 동안 진행된다. 이차 전지의 성능을 평가하기 위해서는, 수 백회 이상의 충방전을 진행해야 하므로, 느린 충방전 속도는 큰 단점으로 작용할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서 단일 파티클(활물질요소)을 집전체(전극) 표면에 접촉시킬 경우, 빠른 충방전 속도에서도 안정적으로 충방전 용량을 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 이차 전지의 충방전 평가 시간을 획기적으로 단축할 수 있다. 예컨대, 이차 전지의 충방전 평가 시간을 종래 대비 약 20배 이상 단축할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따르면, 이차 전지용 물질들에 대한 분석/평가의 효율성, 다시 말해, 이차 전지의 연구 및 개발의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 이차 전지용 물질들에 대한 소재 분석 및 전기화학적 분석을 용이하게 수행할 수 있고, 이들 사이의 상관성을 용이하게 도출할 수 있다. 따라서, 하이-쓰루풋(high-throughput) 분석이 가능하고, 이차 전지의 개발/생산을 위한 리드-타임(lead-time)을 크게 단축시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조를 이용하면, 셀(cell) 내 국소 부위의 비정상 거동을 감지하고 제어함으로써, 비이상적 발열, 열폭주, 폭발, 발화 등의 문제를 방지하여, 이차 전지의 안정성 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 웨어러블(wearable)/플렉서블(flexible)/모바일(mobile) 배터리의 경우, 안정성 확보 문제가 중요할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조가 유용하게 적용될 수 있다. 아울러, 본 발명의 실시예에 따르면, 우수한 성능을 갖는 소형/박막형 이차 전지 구조를 용이하게 구현할 수 있다.
도 38은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 구조를 보여주는 평면도이다. 본 실시예의 전지 구조는 단일 전지 구조(single battery structure or single cell structure)일 수 있다. 또한, 본 전지 구조는 멀티-전극 단일 셀(multi-electrode single cell)일 수 있다. 또한, 본 실시예의 전지 구조는 이차 전지일 수 있다.
도 38을 참조하면, 서로 이격된 복수의 양극요소(CD10)가 구비될 수 있고, 또한 서로 이격된 복수의 음극요소(AD10)가 구비될 수 있다. 양극요소(CD10)의 개수와 음극요소(AD10)의 개수는 서로 다를 수 있다. 양극요소(CD10)와 음극요소(AD10) 중 어느 하나는 복수로 구비되지 않고, 단수로(즉, 하나만) 구비될 수도 있다. 도시하지는 않았지만, 복수의 양극요소(CD10)와 복수의 음극요소(AD10) 사이의 이온 이동을 위한 전해질이 더 구비될 수 있다. 복수의 음극요소(AD10)는 상기 전해질을 통해서 각각의 양극요소(CD10)에 전기화학적으로 병렬로 연결될 수 있다. 양극요소(CD10)와 음극요소(AD10)의 개수는 예시적인 것이고, 이들의 개수 및 배열 방식과 배치 관계도 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 양극요소(CD10)와 음극요소(AD10)의 역할은 서로 뒤바뀔 수 있다.
부가해서, 각각의 양극요소(CD10)는 그 일측으로 돌출된 양극탭(cathode tap)(CT1)을 포함할 수 있고, 이와 유사하게, 각각의 음극요소(AD10)는 그 일측으로 돌출된 음극탭(anode tap)(AT1)을 포함할 수 있다. 양극탭(CT1)과 음극탭(AT1)은 서로 반대 방향으로 연장될 수 있다. 그러나, 양극탭(CT1)과 음극탭(AT1)의 위치 및 연장 방향은 달라질 수 있다. 양극탭(CT1) 및 음극탭(AT1)은 각각 '양극단자' 및 '음극단자'라고 할 수도 있다.
도 38과 같은 전지 구조에서 복수의 양극요소(CD10)와 복수의 음극요소(AD10)는 소정 방식으로 조립(assemble)될 수 있다. 일례로, 복수의 양극요소(CD10)와 복수의 음극요소(AD10)는 소정의 분리막(separator)을 사이에 두고 와인딩(winding) 되거나 접혀져서 소정의 '전극 조립체(electrode assembly)'를 구성할 수 있다. 그 일례가 도 39에 도시되어 있다.
도 39를 참조하면, 복수의 양극요소와 복수의 음극요소가 분리막을 사이에 두고 와인딩(winding) 되어 전극 조립체(EA10)를 구성할 수 있다. 전극 조립체(EA10)는, 예컨대, 도 38에서 설명한 바와 같은 복수의 양극요소(CD10)와 복수의 음극요소(AD10)를 포함할 수 있다. 전극 조립체(EA10)는 도시된 바와 같이 젤리롤(jelly-roll) 구조일 수 있지만, 그 밖에 다른 구조를 가질 수도 있다. 전극 조립체(EA10)의 일측으로(예컨대, 위쪽으로) 복수의 양극탭(CT1)이 돌출될 수 있고, 전극 조립체(EA10)의 타측으로(예컨대, 아래쪽으로) 복수의 음극탭(AT1)이 돌출될 수 있다. 양극탭(CT1)과 음극탭(AT1)의 개수는 서로 다를 수 있다. 양극탭(CT1)과 음극탭(AT1)의 개수 및 배열 방식은 예시적인 것이고 달라질 수 있다.
도 39의 전극 조립체(EA10)는 소정의 전지 케이스 내에 수용될 수 있고, 그 양단은 단자부 어셈블리(terminal assembly)로 밀봉될 수 있다. 도 40은 도 39의 전극 조립체(EA10)의 상단부에 결합되는 제1 단자부 어셈블리(TA10)를 예시적으로 보여주는 사시도이고, 도 41은 도 39의 전극 조립체(EA10)의 하단부에 결합되는 제2 단자부 어셈블리(TA20)를 예시적으로 보여주는 사시도이다. 도 40은 제1 단자부 어셈블리(TA10)의 상면부를 보여주는 사시도이고, 도 41은 제2 단자부 어셈블리(TA20)의 하면부를 보여주는 사시도이다.
도 40을 참조하면, 제1 단자부 어셈블리(TA10)는 서로 이격된 복수의 양극단자(CT10)를 포함할 수 있다. 복수의 양극단자(CT10)는 도 39의 복수의 양극탭(CT1)에 각각 연결될 수 있다. 제1 단자부 어셈블리(TA10)는 일종의 '캡 어셈블리(cap assembly)'라 할 수 있다.
도 41을 참조하면, 제2 단자부 어셈블리(TA20)는 서로 이격된 복수의 음극단자(AT10)를 포함할 수 있다. 복수의 음극단자(AT10)는 도 39의 복수의 음극탭(AT1)에 각각 연결될 수 있다.
도 42는 전극 조립체(도 39의 EA10)를 소정의 전지 케이스(CS10) 내에 넣은 후, 그 양단을 도 40 및 도 41에서 설명한 바와 같은 단자부 어셈블리(TA10, TA20)로 밀봉한 경우를 보여주는 사시도이다. 도 42의 좌측 도면은 위쪽에서 바라본 사시도이고, 우측 도면은 아래쪽에서 바라본 사시도이다. 전극 조립체(도 39의 EA10)의 형태/구조는 다양하게 변화될 수 있고, 그에 따라, 전지 케이스(CS10)의 형태도 변화될 수 있다. 예컨대, 전지 케이스(CS10)는 원통형, 각형, 파우치형, 박막형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 43은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 전지 시스템(battery system)을 보여주는 도면이다.
도 43을 참조하면, 단일 전지 구조(CELL1)가 마련될 수 있고, 단일 전지 구조(CELL1)에 연결된 배터리 관리 시스템(battery management system)(BMS)이 구비될 수 있다. 단일 전지 구조(CELL1)는, 예컨대, 도 38을 참조하여 설명한 바와 같은 구조를 가질 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템(BMS)은 복수의 양극탭(또는, 양극단자)(CT1)에 연결된 제1 스위칭 회로부(SC100) 및 복수의 음극탭(또는, 음극단자)(AT1)에 연결된 제2 스위칭 회로부(SC200)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 배터리 관리 시스템(BMS)은 제1 및 제2 스위칭 회로부(SC100, SC200)에 연결된 배터리 관리 컨트롤러(battery management controller)(BMC100)를 포함할 수 있다. 제1 스위칭 회로부(SC100)는 복수의 양극요소(CD10)를 개별적으로(독립적으로) 온/오프(ON/OFF) 할 수 있는 회로 구성을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 제2 스위칭 회로부(SC200)는 복수의 음극요소(AD10)를 개별적으로(독립적으로) 온/오프(ON/OFF) 할 수 있는 회로 구성을 포함할 수 있다. 배터리 관리 컨트롤러(BMC100)는 제1 및 제2 스위칭 회로부(SC100, SC200)의 동작을 제어하는 역할을 할 수 있다. 또한, 배터리 관리 컨트롤러(BMC100)는 복수의 전극들(CD10, AD10)에 대한 출력 전압을 주기적으로 모니터링(monitoring) 하면서 비정상 전극이 발견되었을 때, 비정상 전극의 전기적 연결을 선택적으로 차단하는 역할을 할 수 있고, 이를 위한 회로 구성을 포함할 수 있다. 따라서, 비정상 전극 혹은 이에 연결된 비정상 활물질요소로 인한 문제(발열, 발화, 수명 단축 등)를 방지할 수 있다.
배터리 관리 컨트롤러(BMC100)에 연결된 외부 양극단자(EC1) 및 외부 음극단자(EA1)가 구비될 수 있다. 외부 양극단자(EC1)는 배터리 관리 컨트롤러(BMC100) 및 제1 스위칭 회로부(SC100)를 통해서 복수의 양극요소(CD10)에 연결되었다고 할 수 있고, 외부 음극단자(EA1)는 배터리 관리 컨트롤러(BMC100) 및 제2 스위칭 회로부(SC200)를 통해서 복수의 음극요소(AD10)에 연결되었다고 할 수 있다.
도 43에서 단일 전지 구조(CELL1)는 도 42와 같은 조립된 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 도 42의 복수의 양극단자(CT10)가 제1 스위칭 회로부(SC100)에 연결될 수 있고, 복수의 음극단자(AT10)가 제2 스위칭 회로부(SC200)에 연결될 수 있다. 도 43에 도시된 단일 전지 구조(CELL1)는 예시적인 것이고 이는 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 양극요소(CD10)와 음극요소(AD10)의 개수는 달라질 수 있고, 양극요소(CD10)와 음극요소(AD10) 중 어느 하나는 복수로 구비되지 않고, 단수로(즉, 하나만) 구비될 수도 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 23, 도 32 및 도 33을 참조하여 설명한 이차 전지 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 제1 전극요소의 개수와 제2 전극요소의 개수는 동일할 수 있고, 마이크로전극 어레이(MEA)는 제1 전극요소(ex, 양극)나 제2 전극요소(ex, 음극)에 적용되거나 양쪽 전극 모두에 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그리고, 제1 활물질요소는 단일 파티클이 아닌 다른 다양한 구성을 가질 수 있고, 제2 활물질요소도 박막/박편이 아닌 다른 다양한 구성을 가질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 34a 내지 도 34e를 참조하여 설명한 이차 전지 구조의 제조방법도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 아울러, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 구조의 동작방법이나 이를 이용한 분석/평가방법도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 38 내지 도 43을 참조하여 설명한 전지 구조 및 이를 포함하는 전지 시스템의 구성도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
AE10 : 제1 활물질요소 AE20 : 제2 활물질요소
CP10 : 제1 콘택패드 CP20 : 제2 콘택패드
EE10 : 제1 전극요소 EE20 : 제2 전극요소
EP10 : 제1 전극부 EP20 : 제2 전극부
WP10 : 제1 배선부 WP20 : 제2 배선부
SUB10 : 기판 NL10 : 절연층
H10 : 제1 개구부 H20 : 제2 개구부
GP10 : 가이드 패턴 ET10 : 전해질
WD10 : 용접부 a1 : 단위구조
AL14 : 도전성 접착층 RR1, RR2 : 리세스 영역
CL10 : 커버층 PM10 : 가압부재
SP28 : 분리층 SS100 : 제1 기판구조체
SS200 : 제2 기판구조체 P100, P110 : 핀 구조체
AN1 : 분석기기 100 : 기판
110a : 제1 전극부 110b : 제2 전극부
120 : 절연층 130 : 가이드 패턴
140a : 제1 활성층요소 140b : 제2 활성층요소
145a : 용접부 150 : 전해질

Claims (50)

  1. 서로 이격된 복수의 제1 전극요소가 어레이된 구조를 구비하며, 기판 상에 배치되는 제1 전극구조체;
    상기 제1 전극구조체와 이격된 적어도 하나의 제2 전극요소를 구비하며, 기판 상에 배치되는 제2 전극구조체; 및
    상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 사이의 이온 이동을 위해 구비된 전해질;을 포함하고,
    상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 하나는 양극(cathode)이고 다른 하나는 음극(anode)이며, 상기 제1 전극요소와 제2 전극요소의 개수는 서로 다르며,
    상기 복수의 제1 전극요소와 상기 적어도 하나의 제2 전극요소는 동일한 기판 상에 상기 기판과 평행한 방향으로 이격하여 배치되며,
    상기 기판 상에 상기 복수의 제1 전극요소의 일부 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소의 일부를 노출시키는 절연층이 구비되며,
    상기 절연층 상에 상기 복수의 제1 전극요소의 노출부 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소의 노출부에 접촉하도록 상기 전해질이 구비된 이차 전지 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극구조체는 양극이고 상기 제2 전극구조체는 음극이거나,
    상기 제1 전극구조체는 음극이고 상기 제2 전극구조체는 양극인 이차 전지 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극요소는 상기 전해질을 통해서 상기 제2 전극요소에 전기화학적으로 병렬로 연결된 이차 전지 구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극요소는 복수의 마이크로전극으로 구성된 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA)를 포함하는 이차 전지 구조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극요소는 상기 복수의 마이크로전극 상에 구비된 복수의 활물질요소(active material element)를 더 포함하는 이차 전지 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 활물질요소는 파티클(particle) 구조를 갖고,
    선택적으로(optionally), 상기 복수의 마이크로전극에 대응하는 상기 복수의 활물질요소는 단일 파티클(single particle)인 이차 전지 구조.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질요소는 적어도 두 종류의 서로 다른 물질로 형성된 활물질요소들을 포함하는 이차 전지 구조.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질요소는 적어도 두 종류의 서로 다른 사이즈를 갖는 활물질요소들을 포함하는 이차 전지 구조.
  9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질요소 중 적어도 하나는 복수의 단위구조를 포함하고,
    선택적으로(optionally), 상기 복수의 활물질요소 중 적어도 두 개는 서로 다른 개수의 단위구조를 포함하는 이차 전지 구조.
  10. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 활물질요소를 그에 대응하는 상기 마이크로전극에 접합하는 용접부(welding portion)를 더 포함하는 이차 전지 구조.
  11. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 활물질요소와 그에 대응하는 상기 마이크로전극 사이에 이들을 접합하기 위한 도전성 접착층(conductive adhesive layer)을 더 포함하는 이차 전지 구조.
  12. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 활물질요소에 압력을 인가하는 가압부재(pressing member)를 더 포함하는 이차 전지 구조.
  13. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로전극은 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 탄소(C) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지 구조.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질요소는 리튬(Li) 금속 산화물을 포함하는 이차 전지 구조.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극구조체는 하나의 상기 제2 전극요소를 포함하는 이차 전지 구조.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극구조체는 복수 개의 상기 제2 전극요소를 포함하고,
    상기 제2 전극요소의 개수는 상기 제1 전극요소의 개수보다 적은 이차 전지 구조.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극요소는 제2 전극부 및 상기 제2 전극부에 접촉된 제2 활물질요소를 포함하는 이차 전지 구조.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극구조체는 상기 복수의 제1 전극요소에 연결된 복수의 제1 콘택패드를 더 포함하거나, 및/또는
    상기 제2 전극구조체는 상기 제2 전극요소에 연결된 제2 콘택패드를 더 포함하는 이차 전지 구조.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 대향하는 제2 기판이 더 구비되며, 상기 제2 기판은 상기 복수의 제1 전극요소 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소를 가압하는 복수의 핀 구조체(pin structure)를 포함하는 이차 전지 구조.
  24. 삭제
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극요소 중 어느 하나의 활물질영역은 상기 제2 전극요소의 활물질영역보다 작은 사이즈를 갖는 이차 전지 구조.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차 전지 구조는 단일 셀 구조(single cell structure)인 이차 전지 구조.
  27. 기판 상에 배치되는 제1 전극구조체;
    상기 기판 상에 배치되며, 상기 제1 전극구조체와 이격된 제2 전극구조체; 및
    상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 사이의 이온 이동을 위해 구비된 전해질;을 포함하고,
    상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 하나는 양극(cathode)이고 다른 하나는 음극(anode)이며, 상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 적어도 하나는 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA)를 포함하며,
    상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체는 상기 마이크로전극 어레이(MEA)가 배열된 평면에 수직한 방향으로 이격하여 구비된 이차 전지 구조.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제1 전극구조체와 제2 전극구조체 중 적어도 하나는 상기 마이크로전극 어레이(microelectrode array)(MEA) 상에 구비된 복수의 활물질요소(active material element)를 더 포함하는 이차 전지 구조.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 복수의 활물질요소 중 적어도 일부는 파티클(particle) 구조를 갖는 이차 전지 구조.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 제1 전극구조체를 구성하는 단위전극의 개수와 상기 제2 전극구조체를 구성하는 단위전극의 개수는 서로 다른 이차 전지 구조.
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 기판 상에 구비된 적어도 하나의 제1 전극;
    상기 기판 상에 상기 제1 전극과 수평 방향으로 이격된 적어도 하나의 제2 전극;
    상기 기판 상에 상기 제1 전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 개구부를 구비하며, 상기 기판 상에 상기 제2 전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 개구부를 구비하는 절연층;
    상기 제1 전극의 노출부 상에 구비된 제1 활물질요소;
    상기 제2 전극의 노출부 상에 구비되며, 상기 기판 상에 상기 제1 활물질요소와 수평 방향으로 이격하여 구비된 것으로, 상기 제1 활물질요소와 다른 물질로 형성된 제2 활물질요소; 및
    상기 절연층 상에 구비된 것으로, 상기 제1 활물질요소 및 제2 활물질요소에 접촉된 전해질;을 포함하는 이차 전지 구조.
  34. 삭제
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 동일한 물질로 형성된 이차 전지 구조.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 제2 활물질요소는 상기 절연층의 표면 상에 구비된 이차 전지 구조.
  37. 제 33 항에 있어서,
    상기 제1 활물질요소는 파티클(particle) 구조를 갖는 이차 전지 구조.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 제1 활물질요소를 상기 제1 전극에 접합하는 용접부(welding portion)를 더 포함하는 이차 전지 구조.
  39. 제 33 항에 있어서,
    상기 제1 활물질요소와 상기 제1 전극 사이에 이들을 접합하기 위한 도전성 접착층(conductive adhesive layer)을 더 포함하는 이차 전지 구조.
  40. 제 33 항에 있어서,
    상기 제2 활물질요소는 박막 구조를 갖는 이차 전지 구조.
  41. 제 33 항에 있어서,
    상기 절연층 상에 가이드 패턴(guide pattern)이 더 구비되고,
    상기 가이드 패턴 내에 상기 전해질이 구비된 이차 전지 구조.
  42. 제 33 항에 있어서,
    상기 전해질 상에 구비된 커버층(cover layer)을 더 포함하고,
    상기 제1 활물질요소에 대응하는 상기 커버층 부분이 상기 기판 쪽으로 오목한 구조를 갖는 이차 전지 구조.
  43. 제 33 항에 있어서,
    복수 개의 상기 제1 전극이 마이크로전극 어레이(microelectrode array : MEA)를 구성하는 이차 전지 구조.
  44. 제 33 항에 있어서,
    상기 제1 활물질요소 및/또는 상기 제2 활물질요소에 전기적으로 접촉하면서 압력을 인가하는 적어도 하나의 핀 구조체(pin structure)를 더 포함하는 이차 전지 구조.
  45. 단일 전지 구조(single battery structure)에 있어서,
    서로 이격된 복수의 제1 전극요소;
    상기 복수의 제1 전극요소와 이격된 적어도 하나의 제2 전극요소;
    상기 복수의 제1 전극요소에 연결되며, 기판상에 배치되는 복수의 제1 전극단자; 및
    상기 적어도 하나의 제2 전극요소에 연결되며, 기판상에 배치되는 적어도 하나의 제2 전극단자; 및
    상기 복수의 제1 전극요소와 상기 제2 전극요소를 전기 화학적으로 연결하는 전해질;을 포함하고,
    상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자 중 하나는 양극단자(cathode terminal)이고 다른 하나는 음극단자(anode terminal)이며,
    상기 제1 전극 단자와 제2 전극 단자는 동일한 기판 상에 상기 기판과 평행한 방향으로 이격하여 배치되며,
    상기 기판 상에 상기 복수의 제1 전극요소의 일부 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소의 일부를 노출시키는 절연층이 구비되며,
    상기 절연층 상에 상기 복수의 제1 전극요소의 노출부 및 상기 적어도 하나의 제2 전극요소의 노출부에 접촉하도록 상기 전해질이 구비된 단일 전지 구조.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 제2 전극요소는 하나 또는 복수 개가 구비되고,
    상기 제2 전극요소의 개수와 상기 제1 전극요소의 개수는 서로 다른 단일 전지 구조.
  47. 삭제
  48. 제 45 항에 있어서,
    상기 단일 전지 구조는 이차 전지 구조인 단일 전지 구조.
  49. 청구항 45에 기재된 단일 전지 구조; 및
    상기 단일 전지 구조에 연결된 배터리 관리 시스템(battery management system)(BMS);을 포함하는 전지 시스템.
  50. 제 49 항에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템(BMS)은,
    상기 복수의 제1 전극단자에 연결된 제1 스위칭 회로부;
    상기 적어도 하나의 제2 전극단자에 연결된 제2 스위칭 회로부; 및
    상기 제1 및 제2 스위칭 회로부에 연결된 배터리 관리 컨트롤러(battery management controller);를 포함하는 전지 시스템.
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